·76· 工程科学学报，第39卷，第1期 也必须达到一定的要求.不同的固溶-时效处理方式 对铝合金材料强化相的溶入、析出及析出相的尺寸、分 布有显著影响，而强化相对铝合金材料的性能影响很 大.所以，优化铝合金板材的固溶-时效工艺以便能获 得各项力学性能俱佳的铝合金板材是非常必要的. 本文在不同的固溶温度、固溶时间与时效温度、时 效时间条件下，对6016铝合金板材进行固溶-时效处 理，然后用拉伸试验机和维氏硬度计测量每个试样的 伸长率、屈服强度和维氏硬度，以三个性能指标为目标 分别建立响应面模型，再用NSGA-Ⅱ优化求解，得到 图2室温下单轴拉伸试验后的试件 一个优化解集以及与之相对的固溶-时效工艺条件， Fig.2 Specimens after uniaxial tensile testing at room temperature 为技术人员制定工艺路线提供一定的参考 1实验过程 3响应面模型分析和基于NSGA-Ⅱ的多目 标优化 本实验采用厚度1mm的6016-T4P板材，表1为 板材的化学成分 3.1响应面模型分析 3.1.1固溶-时效对铝合金屈服强度的影响 表16016铝合金化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy% 以固溶温度T,、固溶时间(，与时效温度T,、时效 时间，为设计变量，以屈服强度(1)为响应值，建立如 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 式(1)所示近似响应面模型.复相关系数（拟合优度） 1.00.200.130.090.420.04<0.010.02 R为0.9207.屈服强度表示金属材料抵抗塑性变形的 中心组合设计法(central composite design, 能力，屈服强度高表示材料抵抗变形的能力强 CCD)[)是一种非常适合于优化多因素曲面的实验设 f1)=-438.15745-0.59340T1+7.66719T2-0.347662+ 计方法.本文以固溶温度、固溶时间与时效温度、时效 8.45333×10-3T,T2+3.13409×10-3T22-0.037925T. 时间为设计变量，屈服强度、伸长率和维氏硬度为目标 (1) 函数，通过Design-Expert建立三个目标函数的响应面 图3为屈服强度的响应面模型，展示的是基于中 模型，实验具体安排见表2. 心组合设计实验设计方法，选取固溶时间范围的中间 实验过程：用线切割机床将铝合金板加工成如图 值31min,时效时间范围的中间值65min时屈服强度 1所示拉伸试样，线切割时沿轧制方向.然后将试样按 与固溶温度和时效温度之间的关系[9-].由图3可知 照表2所列实验条件进行固溶-时效处理。固溶-时效 当固溶温度限定时，屈服强度随着时效温度升高先增 处理后的试样用电子拉伸试验机与显微维氏硬度计测 大后减小.时效温度限定时，随着固溶温度的升高合 得屈服强度、伸长率和维氏硬度值 金的屈服强度逐步增大.第二相粒子随着固溶温度与 130 固溶时间的增加能更充分的溶入基体山.铝合金材 料中的分子随着温度的不断上升变的更加活跃，有利 于材料内部各种元素的均匀分布，这样就使得固溶更 加充分，经过热处理水淬后的材料就会有更高的过饱 和度. 60 3.1.2固溶-时效对铝合金伸长率的影响 图1试样尺寸（单位：mm) 根据实验结果，以固溶温度T,、固溶时间，与时效 Fig.I Dimensions of tensile test specimens at room temperature 温度T、时效时间，为设计变量，以伸长率f(2)为响 (unit:mm) 应值，建立如式(2)所示响应面模型.复相关系数（拟 合优度)R2为0.8145.通常伸长率用来反映材料的成 2实验结果 形性. f(2)=-4.95088+0.072657T+0.30755T,- 经过拉伸试验后的试样如图2所示.可以观察到 大部分试样在中间位置被拉断.每个试样的屈服强 0.27475L2-7.69167×10-4T,T2+4.59848×10-4T4- 度、伸长率和维氏硬度列于表2. (2)工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 也必须达到一定的要求. 不同的固溶鄄鄄 时效处理方式 对铝合金材料强化相的溶入、析出及析出相的尺寸、分 布有显著影响,而强化相对铝合金材料的性能影响很 大. 所以,优化铝合金板材的固溶鄄鄄时效工艺以便能获 得各项力学性能俱佳的铝合金板材是非常必要的. 本文在不同的固溶温度、固溶时间与时效温度、时 效时间条件下,对 6016 铝合金板材进行固溶鄄鄄 时效处 理,然后用拉伸试验机和维氏硬度计测量每个试样的 伸长率、屈服强度和维氏硬度,以三个性能指标为目标 分别建立响应面模型,再用 NSGA鄄鄄 II 优化求解,得到 一个优化解集以及与之相对的固溶鄄鄄 时效工艺条件, 为技术人员制定工艺路线提供一定的参考. 1 实验过程 本实验采用厚度 1 mm 的 6016鄄鄄 T4P 板材,表 1 为 板材的化学成分. 表 1 6016 铝合金化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy % Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 1郾 0 0郾 20 0郾 13 0郾 09 0郾 42 0郾 04 < 0郾 01 0郾 02 中 心 组 合 设 计 法 ( central composite design, CCD) [8]是一种非常适合于优化多因素曲面的实验设 计方法. 本文以固溶温度、固溶时间与时效温度、时效 时间为设计变量,屈服强度、伸长率和维氏硬度为目标 函数,通过 Design鄄鄄Expert 建立三个目标函数的响应面 模型,实验具体安排见表 2. 实验过程:用线切割机床将铝合金板加工成如图 1 所示拉伸试样,线切割时沿轧制方向. 然后将试样按 照表 2 所列实验条件进行固溶鄄鄄时效处理. 固溶鄄鄄时效 处理后的试样用电子拉伸试验机与显微维氏硬度计测 得屈服强度、伸长率和维氏硬度值. 图 1 试样尺寸(单位: mm) Fig. 1 Dimensions of tensile test specimens at room temperature (unit: mm) 2 实验结果 经过拉伸试验后的试样如图 2 所示. 可以观察到 大部分试样在中间位置被拉断. 每个试样的屈服强 度、伸长率和维氏硬度列于表 2. 图 2 室温下单轴拉伸试验后的试件 Fig. 2 Specimens after uniaxial tensile testing at room temperature 3 响应面模型分析和基于 NSGA鄄鄄域的多目 标优化 3郾 1 响应面模型分析 3郾 1郾 1 固溶鄄鄄时效对铝合金屈服强度的影响 以固溶温度 T1 、固溶时间 t 1与时效温度 T2 、时效 时间 t 2为设计变量,以屈服强度 f(1)为响应值,建立如 式(1)所示近似响应面模型. 复相关系数(拟合优度) R 2为 0郾 9207. 屈服强度表示金属材料抵抗塑性变形的 能力,屈服强度高表示材料抵抗变形的能力强. f(1) = -438郾 15745 -0郾 59340T1 +7郾 66719T2 -0郾 34766t 2 + 8郾 45333 伊10 -3 T1T2 +3郾 13409 伊10 -3 T2 t 2 -0郾 037925T 2 2 . (1) 图 3 为屈服强度的响应面模型,展示的是基于中 心组合设计实验设计方法,选取固溶时间范围的中间 值 31 min,时效时间范围的中间值 65 min 时屈服强度 与固溶温度和时效温度之间的关系[9鄄鄄10] . 由图 3 可知 当固溶温度限定时,屈服强度随着时效温度升高先增 大后减小. 时效温度限定时,随着固溶温度的升高合 金的屈服强度逐步增大. 第二相粒子随着固溶温度与 固溶时间的增加能更充分的溶入基体[11] . 铝合金材 料中的分子随着温度的不断上升变的更加活跃,有利 于材料内部各种元素的均匀分布,这样就使得固溶更 加充分,经过热处理水淬后的材料就会有更高的过饱 和度. 3郾 1郾 2 固溶鄄鄄时效对铝合金伸长率的影响 根据实验结果,以固溶温度 T1 、固溶时间 t 1与时效 温度 T2 、时效时间 t 2为设计变量,以伸长率 f(2)为响 应值,建立如式(2)所示响应面模型. 复相关系数(拟 合优度)R 2为 0郾 8145. 通常伸长率用来反映材料的成 形性. f(2) = - 4郾 95088 + 0郾 072657T1 + 0郾 30755T2 - 0郾 27475t 2 - 7郾 69167 伊 10 - 4 T1T2 + 4郾 59848 伊 10 - 4 T1 t 1 . (2) ·76·