不同取向條件下Al-Mg-Sc合金薄板的組織與性能

陳琴，潘清林, ，韋莉莉，李波，王迎，尹志民,

(1.中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2．中南大學 有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

01570鋁合金強度高、塑性好、焊接性能優(yōu)良，有較好的抗腐蝕性能，在航天、航空領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[1?2]。近年來，國內(nèi)外科研人員在Al-Mg-Mn合金的基礎(chǔ)上，采用微量鈧和鋯合金化方法對合金進行改性，結(jié)果表明：微量鈧和鋯元素能顯著提高合金的綜合力學性能[3?5]。目前，人們對01570鋁合金成分、組織、性能的研究已經(jīng)有許多報道[2?4]，但關(guān)于這種合金力學性能平面各向異性研究的報道較少。合金板材力學性能的平面各向異性給合金的使用帶來許多局限，在工程設計時只能以性能較低的方向作為設計依據(jù)，同時會增加材料成型加工時的難度。所以，多晶材料平面各向異性是研制高性能鋁合金板材必須考慮的一個重要性能指標。板材力學性能的平面各向異性是與合金在塑性加工和熱處理過程中形成的織構(gòu)密切相關(guān)的，不同的織構(gòu)組態(tài)決定不同的平面各向異性取值。由于生產(chǎn)工藝中要求對變形和退火加以控制以滿足板材對各向異性的要求，因此，織構(gòu)對板材各向異性的影響是十分重要的課題。本文用微量鈧和鋯合金化的01570鋁合金薄板，研究不同取向條件下冷軋態(tài)和冷軋?退火態(tài) 01570鋁合金板材的力學性能與微觀組織關(guān)系，對板材力學性能平面各向異性的程度進行測試，并從晶粒結(jié)構(gòu)、晶體學織構(gòu)和析出相入手，探討01570鋁合金板材力學性能平面各向異性的影響因素及形成機理，以便為這種合金的工程應用提供理論和實驗依據(jù)。

1 材料與實驗方法

1.1 材料

采用活性熔劑保護熔煉，水冷銅模激冷鑄造技術(shù)以工業(yè)純鋁、純鎂、Al-2.23%Sc，Al-4.48%Zr和Al-8.5%Mn中間合金為原料制備01570合金鑄錠，其化學成分見表1。合金鑄錠經(jīng)460 ℃/24 h均勻化處理后銑面至25 mm厚，然后，在470 ℃保溫3 h后熱軋至5.7 mm厚，最后，經(jīng)400 ℃/2 h中間退火后冷軋至2.0 mm厚的薄板，總變形量達到92%。合金冷軋板在350 ℃下穩(wěn)定化退火1 h，出爐空冷。均勻化、中間退火及穩(wěn)定化退火處理均在程序控溫 SX2-8-10箱式電阻爐中進行，誤差為±2 ℃。

表1 01570鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 01570 aluminum alloy%

1.2 拉伸力學性能測試

拉伸力學性能試樣分別取自冷軋態(tài)和冷軋?退火態(tài)的合金板材，在軋制面內(nèi)與軋制方向呈 0°(軋向)，30°，45°，60°和 90°(橫向)共 5 個方向上切取拉伸試樣(圖1)。試樣按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規(guī)定進行加工，之后在MTS-858材料試驗機上進行拉伸，拉伸速率為2 mm/min。

1.3 平面各向異性指數(shù)的計算

按文獻[6?7]提供的方法進行計算平面各向異性指數(shù)IPA，計算公式如下所示：

其中：Xmax和Xmin分別表示5個取樣方向上抗拉強度σb、屈服強度σ0.2和伸長率δ的最大值和最小值；Xmid1，Xmid2和Xmid3分別對應抗拉強度σb、屈服強度σ0.2和伸長率δ的3個中間值。

1.4 板材織構(gòu)的測定

試樣經(jīng)機械拋光后，分別進行電解拋光以除去樣品表面的應力層。電解拋光溶液為10% HClO3+90%無水乙醇(體積比)，電壓為25 V左右，拋光時間約為30 s。采用Schulz反射法在BRUKER D8 DISCOVER全自動X線衍射儀上分別對樣品進行織構(gòu)測試，儀器工作參數(shù)為：管電壓為40 kV，管電流為40 mA，測量步長 5°，采用 Cu Kα耙。分別測量{111}，{200}和{220}這 3個不完整極圖(0≤α≤75°，0≤β≤360°)。極圖數(shù)據(jù)經(jīng)散焦與基底修正后采用Bunge級數(shù)展開法計算取向分布函數(shù)，結(jié)果用恒?2的ODF截面圖表示。

1.5 微觀組織觀察

偏光金相試樣取自板材縱截面，經(jīng)機械拋光后進行電解拋光和陽極覆膜，之后在 POLYVER-MET光學顯微鏡下用偏光觀察。電解拋光溶液為10% HClO3+90%無水乙醇(體積分數(shù))，電壓為28 V左右，拋光時間約為30 s；覆膜溶液為38%H2SO4+43%H2PO3+19%H2O(體積比)，電壓為20 V左右，覆膜時間約為3 min。透射電鏡樣品經(jīng)機械減薄后雙噴穿孔而成，電解液為25%硝酸甲醇溶液，溫度為?25 ℃以下，顯微組織觀察在TECNAI G220透射電鏡上進行，加速電壓為200 kV。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同取向條件下合金板材的力學性能

不同取向條件下01570合金板材的拉伸力學性能測試結(jié)果見表2和圖2。從表2和圖2可見：合金板材在橫向、縱向和與縱向成30°方向的強度較高，45°和 60°方向的強度較低，且橫向的抗拉強度與屈服強度比縱向的高，45°方向試樣的屈服強度最低，伸長率則最高。相對于通?？v向強度高、橫向強度低的規(guī)律，該合金板材表現(xiàn)出反常的各向異性。此外，合金板材在350 ℃退火1 h后比冷軋態(tài)板材的平面各向異性指標值IPA小一些。

2.2 不同狀態(tài)下合金板材的取向分布函數(shù)

表2 不同處理狀態(tài)合金板材拉伸力學性能和平面各向異性指標IPATable 2 Tensile mechanical properties and anisotropy index IPA of alloy plate at different conditions

不同狀態(tài)合金板材的取向分布函數(shù)(ODF)如圖 3所示。從圖3可見：合金冷軋板的整體織構(gòu)組態(tài)具有較強的面心立方金屬變形織構(gòu)特征，表現(xiàn)為典型的Brass 織構(gòu){110}〈112〉、Copper 織構(gòu){112}〈111〉，此外還有 S 織構(gòu){123}〈634〉 (?1=59°，Φ=37°，?2=63°)和少量的Goss織構(gòu){110}〈001〉。于350 ℃退火1 h后并沒有改變合金的織構(gòu)組態(tài)，合金總體仍然以變形織構(gòu)為主。各織構(gòu)取向密度在α和β取向線上的分布如圖4所示。從圖4可見：合金冷軋板中Brass織構(gòu)取向密度最強，等級接近于13.5級，Copper織構(gòu)取向密度等級接近于11.0級，S織構(gòu)次之，為8.5 級，Goss織構(gòu)取向密度最弱。350 ℃退火1 h 后，在α和β取向線上部分 Goss取向的晶粒向鄰近的 Brass取向偏轉(zhuǎn)，使得Goss取向密度有所下降；Brass取向上的晶粒也向S取向和Copper織構(gòu)偏轉(zhuǎn)，使S織構(gòu)和Copper織構(gòu)有所增強，而Brass織構(gòu)強度無明顯變化。

圖2 不同狀態(tài)01570合金板材力學性能與取樣方向關(guān)系Fig.2 Relationship of mechanical properties of 01570 alloy sheet at different conditions with various orientations

圖3 不同狀態(tài)下合金薄板的取向分布函數(shù)Fig.3 ODF of alloy sheet at different conditions

圖4 不同狀態(tài)下合金板材取向密度的變化Fig.4 Changes of orientation densities of alloy sheet at different conditions

2.3 不同狀態(tài)下合金板材的顯微組織結(jié)構(gòu)

對冷軋態(tài)、冷軋?退火態(tài)的合金板材金相組織和透射電子顯微組織進行觀察和分析，結(jié)果見圖5和圖6。從圖5可見：冷軋態(tài)合金板材軋面內(nèi)是煎餅狀組織，沿軋向和橫向都是纖維狀軋制變形組織，于350 ℃退火 1 h后合金板材的金相組織變化不大，軋面內(nèi)仍為煎餅狀的非再結(jié)晶組織。由圖6可見：冷軋態(tài)的合金板材其晶粒沿軋制方向被拉長壓扁，合金內(nèi)存在大量胞狀組織，其胞壁出現(xiàn)高密度位錯亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生強烈的應力場。于350 ℃退火1 h后合金基體內(nèi)回復過程非常明顯，由于晶界的弓出遷移，形成許多小角度亞晶界和亞晶，且有位錯墻以小角度晶界分割晶粒成亞晶。此外，還可以清晰地觀察到大量的第二相粒子強烈地釘扎位錯和亞晶界，阻礙亞晶界的運動，使亞晶界呈波浪狀向前遷移。這些粒子呈豆瓣狀與基體共格，根據(jù)文獻[8?10]可知為Al3(Sc,Zr)粒子。由圖6(d)可見：于350 ℃退火1 h 后，合金中的Al3(Sc,Zr)粒子平均間距λ≈0.065 μm＜＜ 1 μm，平均直徑d＜＜ 0.3 μm，此時Al3(Sc,Zr)粒子將強烈地阻礙再結(jié)晶[11]。

圖5 不同狀態(tài)下合金板材的金相組織Fig.5 Metallographic microstructures of alloy sheet at different conditions

圖6 不同狀態(tài)下合金板材的透射電子顯微組織Fig.6 TEM microstructures of alloy sheet at different conditions

3 分析與討論

3.1 煎餅狀晶粒結(jié)構(gòu)對合金板材力學性能各向異性的影響

從圖5可見：合金板材顯示出典型的煎餅狀晶粒組織，這是由于合金中微量元素Sc和Zr形成次生的Al3(Sc,Zr)粒子，這種粒子具有強烈的抑制熱軋和穩(wěn)定化退火過程中再結(jié)晶的作用，使得合金冷軋板材和冷軋?退火板材仍然保留了沿軋制方向延展的煎餅狀非再結(jié)晶晶粒組織。正是這種煎餅狀的纖維組織使得軋向試樣(α=0°)對應拉伸斷面上的晶界較稀，而橫向試樣(α=90°)對應拉伸斷面上的晶界較密。這意味著軋向試樣斷面上的晶粒平均直徑大于橫向試樣斷面上的晶粒平均直徑，依據(jù)晶粒度與合金強度的關(guān)系，可以預見晶粒度對橫向試樣強度的貢獻高于晶粒度對軋向試樣強度的貢獻，結(jié)果導致01570合金板材具有反常的力學性能各向異性，即板材橫向屈服強度比縱向的高。

關(guān)于煎餅狀晶粒結(jié)構(gòu)對合金強度的影響，有研究[12?14]認為：當晶內(nèi)最大切應力的方向與晶界的方向一致時，材料具有較低的屈服強度。當材料中存在延展拉長的非等軸晶粒時，從不同的方向?qū)Σ牧鲜┘油鈶?，晶?nèi)最大切應力方向與晶界之間的夾角也將隨之變化，集中于晶界處的位錯向晶內(nèi)運動的難易程度將會不同，從而在宏觀上造成材料沿不同方向的變形阻力、變形程度及變形方式的差異，這便導致力學性能的各向異性。

3.2 晶體學織構(gòu)對合金板材力學性能各向異性的影響

對圖3所示的ODF進行分析可得，合金板材中的織構(gòu)組分主要為Brass{110}〈112〉織構(gòu)，且取向密度遠高于其他類型織構(gòu)的密度。為便于分析織構(gòu)對合金板材力學性能各向異性的影響，此時可將板材視為單晶。鋁合金為面心立方結(jié)構(gòu)，主要滑移系為{111}〈110〉，4個可能的{111}滑移面與織構(gòu)(110)[1 2]的空間關(guān)系如圖7所示。經(jīng)計算可知，其中2個{111}面與軋制面垂直，另外2個{111}面與軋制面成35.26°的夾角，如表4所示。對于圖7所示的合金板材取向宏觀坐標系(軋向、橫向和法向)和晶體取向坐標系((110)[1 2])之間的關(guān)系，為便于理解，可以參考立方晶系的晶體取向，如圖8所示。依據(jù)金屬單晶體拉伸變形機制和變形臨界分切應力定律[15?16]，屈服強度有如下關(guān)系式：

圖7 面心立方{111}晶面與(110)[ 1 2]織構(gòu)的空間關(guān)系Fig.7 Space relationships of four possible {111} slip planes with (110)[ 1 2] texture

圖8 立方晶系的晶體取向Fig.8 Crystal orientation of cubic system

可計算出不同拉伸軸晶體學取向在每個滑移系上的夾角?和λ，結(jié)果表4所示。在此基礎(chǔ)上，進一步算出不同拉伸軸晶體學取向在每個滑移系上的 Schmid 因子和每個取向 Schmid 因子最大值的倒數(shù)，結(jié)果如表5所示。由表5可知：試樣在與板材成0°，30°和90°的取向拉伸時，1/ηmax比較大，合金板材的強度會較高，而與板材成 45°、60°的取向拉伸時，1/ηmax比較小，合金板材的強度會較低?？梢园l(fā)現(xiàn)：表5的理論分析結(jié)果和圖2的實驗結(jié)果基本一致，也說明晶體學織構(gòu)是造成鋁鈧合金板材平面各向異性的主要原因。

圖9 立方晶系的(110)晶面Fig.9 (110) plane of cubic crystal system

表3 不同取向條件下的試樣拉伸晶體學指數(shù)Table 3 Crystallographic direction indices of various tensile specimen orientations

表4 不同取向條件下試樣拉伸方向與滑移面{111}法向及滑移方向〈110〉的夾角φ和λTable 4 Angles φ and λ of slip system {111} 〈110〉for various tensile specimen orientations

表5 板材織構(gòu)為(110)[1 2]時{111}〈110〉滑移系在不同取向條件下的Schmid 因子Table 5 Schmid factors of slip system {111}〈110〉 for various tensile orientations and reciprocals of maximum Schmid factor of every orientation

表5 板材織構(gòu)為(110)[1 2]時{111}〈110〉滑移系在不同取向條件下的Schmid 因子Table 5 Schmid factors of slip system {111}〈110〉 for various tensile orientations and reciprocals of maximum Schmid factor of every orientation

滑移系 0° 30° 45° 60° 90°(111)[110] 0 0 0 0 0(111)[011] 0 0.375 0 0.433 0 0.375 0 0(111)[101] 0 0.375 0 0.433 0 0.375 0 0(111)[110] 0 0 0 0 0(111)[011] 0.136 1 0.155 6 0.336 8 0.427 7 0.272 2(111)[101] 0.136 1 0.155 6 0.336 8 0.427 7 0.272 2(111)[110] 0.272 2 0.219 4 0.096 2 0.052 8 0.272 2(111)[011] 0.136 1 0.038 2 0.036 4 0.029 8 0.272 2(111)[101] 0.408 2 0.181 2 0.059 8 0.022 9 0(111)[110] 0.272 2 0.219 4 0.096 2 0.052 8 0.272 2(111)[011] 0.408 2 0.181 2 0.059 8 0.022 9 0(111)[101] 0.136 1 0.038 2 0.036 4 0.029 8 0.272 2 ηmax 0.408 2 0.375 0 0.433 0 0.427 7 0.272 2 1/ηmax 2.449 8 2.666 7 2.309 5 2.338 1 3.673 8

4 結(jié)論

(1) 01570鋁合金板材在橫向、縱向和與縱向成30°方向的強度較45°和60°方向上的強度高，45°方向的屈服強度最低，伸長率最高；橫向力學性能優(yōu)于縱向力學性能，合金板材表現(xiàn)出反常的各向異性。

(2) 01570鋁合金板材在冷軋態(tài)與350 ℃退火態(tài)的主要織構(gòu)為 Brass 織構(gòu){110}〈112〉，次要織構(gòu)為Copper織構(gòu){112}〈111〉和 S織構(gòu){123}〈634〉。于350 ℃退火態(tài)的S織構(gòu)和Copper 織構(gòu)有所增強，而Brass 織構(gòu)強度無明顯變化。

(3) 01570鋁合金板材中彌散析出的Al3(Sc,Zr)粒子，抑制了合金退火過程中的再結(jié)晶，阻止了立方織構(gòu){100}〈001〉的形成，{110}〈112〉軋制織構(gòu)得到加強，增加了Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材的平面各向異性。

(4) 01570鋁合金板材的平面各向異性與合金的晶粒結(jié)構(gòu)以及晶體學織構(gòu)密切相關(guān)，其中晶體學織構(gòu)是造成合金板材平面各向異性的主要原因。

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