《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation of the Relationships Between Phase Dissolution Behaviors and Paint Baking Hardening Properties of Al-Mg-Si Alloys During Short-term Solid Solution Treatment
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Al-Mg-Si合金板材固溶处理过程中显微组织演变与次生相溶解行为研究，建立准稳态扩散动力学模型揭示时效硬化机制，发现550℃/300s处理硬度达273±4MPa，晶粒尺寸14.98μm，扩散模型与硬度-电导率曲线吻合良好。
Xinming Feng | Weiyi Hu | Qingguo Huang | Zhilei Wang | Zhihao Zhang
北京现代交通金属材料与加工实验室，北京科技大学先进材料与技术研究所，中国北京100083
摘要
明确Al-Mg-Si合金板材在固溶处理过程中的微观结构演变和二次相溶解行为对于合理优化工艺参数以及在“效率”和“性能”之间取得平衡至关重要。本研究探讨了在510°C至570°C的溶解温度范围内以及20秒至3600秒的保持时间下，样品的微观结构和老化性能的变化。结合二次相的几何特性，建立了一个准稳态溶质扩散动力学模型。结果表明，在恒定溶解温度下，样品的老化硬度最初迅速增加，随后随着溶解时间的延长而逐渐增加至稳定值。在550°C和570°C下处理300秒的样品表现出相对较高的老化硬度，其屈服强度分别为268 ± 6 MPa和273 ± 4 MPa。在550°C下，再结晶过程大约在60秒内完成，平均晶粒直径约为14.98 μm。由于基体中大量分散相对位错的钉扎作用，晶粒尺寸随保持时间的延长略有变化。老化沉淀形态表明，较高的溶解温度有利于促进短期老化沉淀，而溶解时间的延长影响较小。在550°C/1800秒、550°C/300秒和510°C/300秒处理的样品的热激活能分别为77.8 kJ/mol、88.5 kJ/mol和111.1 kJ/mol，这表明老化沉淀的动力学对溶解温度更为敏感。溶质扩散模型的计算结果显示，在550°C下，半径分别为0.5 μm、0.75 μm和1 μm的相完全溶解所需的时间分别为167秒、374秒和680秒。模型预测结果与硬度和电导率曲线高度吻合。
引言
Al-Mg-Si合金具有高比强度、优异的成型性和耐腐蚀性等特性，因此广泛应用于建筑、造船和轨道交通领域。特别是近年来，其快速时效硬化响应引起了汽车行业的广泛关注[1]、[2]、[3]。固溶淬火后，汽车合金板材首先进行冲压成型，然后在180-185°C下进行20-30分钟的涂装烘烤（PB）工艺以固化表面。在PB过程中，溶质原子沉淀形成簇或纳米相，从而提高合金的强度和硬度[4]、[5]。因此，通过这种短期时效来增强合金的机械性能已成为重要的研究焦点。
研究表明，Al-Mg-Si合金的PB硬化响应与化学成分[6]、加工状态[7]和热处理工艺[8]等因素密切相关。固溶处理主要涉及相溶解和伴随的溶质扩散，淬火后的溶质过饱和度决定了后续的老化沉淀[9]、[10]。Lei等人对6013合金的研究表明，提高溶解温度有助于促进粗大Mg?Si相的溶解，从而增强机械性能[11]。然而，Gao等人对6082合金的研究发现，较高的溶解温度结合较长的保持时间会促进α-Al(MnFe)Si相的沉淀。这一过程消耗了Si原子，从而抑制了老化过程中β′′相的形成，导致机械性能下降[12]。此外，其他研究指出，过高的溶解温度可能会引起晶粒粗化，从而对合金的塑性和成型性产生不利影响[13]、[14]。
同时，对更高工业效率的需求推动了简化工艺的研究，以缩短热处理周期并提高生产连续性[7]、[15]。汽车板材制造中的一种常见做法是采用短期固溶处理（≤5分钟），然后进行在线淬火。这种方法虽然高效，但可能无法充分完成再结晶和相溶解，从而影响最终性能。尽管已经探索了快速加热技术（如盐浴、红外线）来加速溶解[16]、[17]，但其工业可扩展性仍具有挑战性。因此，研究固溶处理过程中的再结晶和相溶解动力学对于实现生产“效率”和材料“性能”之间的平衡至关重要。
本研究探讨了固溶处理参数对冷轧Al-Mg-Si合金板材PB机械性能的影响。通过多尺度微观结构表征揭示了再结晶机制。通过结合电导率测量和溶质扩散分析，量化了相的溶解行为。此外，还研究了不同固溶处理条件下样品的老化沉淀动力学，并进行了讨论。这些发现为工业生产过程的合理设计提供了基础参考。
材料
本研究中使用的Al-Mg-Si合金的化学成分见表1。熔炼所用原材料包括纯铝（99.99%）、纯镁（99.99%）以及Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-20Fe、Al-10Zr、Al-10Cr和Al-5Ti母合金。合金锭的尺寸为200毫米×200毫米×100毫米，在高频感应真空炉中熔化。锭子在480°C下进行6小时的均匀化处理，然后在540°C下进行24小时的退火处理
固溶处理对机械性能的影响
图2显示了Al-Mg-Si合金样品在固溶温度（510-570°C）和时间（20-3600秒）下的PB老化硬度变化情况，样品根据其溶解温度分别标记为S510-570。在恒定保持时间内，硬度随温度升高而增加。对于给定温度，所有样品的硬度随时间的变化趋势相似。在初始阶段（20-300秒），四个样品的硬度迅速增加，表明
固溶处理过程中的电导率变化
在固溶处理过程中，二次相的溶解使溶质原子重新溶解到基体晶格中。随后的淬火形成过饱和固溶体。由于溶质原子和基体原子之间的原子半径和电子结构差异，溶质原子的掺入会扰乱晶格完整性，引起局部晶格畸变并产生应力场。这些畸变会散射传导电子，从而降低电导率
结论
本研究探讨了固溶处理过程对冷轧Al-Mg-Si合金板材微观结构演变特性和PB硬化性能的影响。揭示了短期固溶处理条件下的再结晶和相溶解行为。主要结论如下：
- (1)
随着溶解温度的升高，样品的硬度逐渐增加。随着溶解时间的延长，老化硬度
CRediT作者贡献声明
Qingguo Huang：撰写 – 审稿与编辑。Zhihao Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、形式分析。Zhilei Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督。Weiyi Hu：撰写 – 审稿与编辑、研究。Xinming Feng：撰写 – 初稿撰写、方法学研究、研究设计、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了北京市科学技术委员会和中关村科技园区管理委员会的资助（编号Z251100003625021）。
利益冲突声明
我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益冲突。
