再結(jié)晶退火對ECAP變形5083鋁合金力學(xué)性能的影響

黨振乾，程玲

(1.黑龍江科技大學(xué)科技處，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱150022)

等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形(Equal channel angular pressing，ECAP)技術(shù)是在不改變工件橫截面積的前提下，引入純剪切形變的一種塑性加工技術(shù)。利用該技術(shù)，可以獲得大尺寸的亞微米甚至納米級塊體材料［1－2］。ECAP工藝在鎂合金、鋁合金、銅合金和鈦合金加工方面均得到廣泛應(yīng)用，不僅細化了材料晶粒，還提高了材料的力學(xué)性能［3］。

再結(jié)晶退火是對經(jīng)過冷加工變形的合金材料進行低溫退火熱處理，合金材料在熱處理過程中再結(jié)晶，消除了因為加工變形而產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象以及內(nèi)應(yīng)力，使金屬材料的塑性恢復(fù)至變形前的水平，合金的組織變?yōu)榧毿〉牡容S晶粒。再結(jié)晶退火主要用于低碳鋼、硅鋼薄板、有色金屬和各種冷加工的板、管、型、絲和帶等金屬制品［4－5］。

5083鋁合金作為一種耐蝕鋁合金，具有中等強度及良好的成型性能，在輪船、汽車、飛機等零部件上均有廣泛應(yīng)用［6］。由于5083鋁合金屬于Al-Mg系鋁合金，不能夠進行熱處理強化，所以該合金的強化形式主要是加工硬化。5083鋁合金在等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中，會發(fā)生較劇烈的變形，其位錯在變形過程中會發(fā)生堆積和纏結(jié)，并形成胞狀的結(jié)構(gòu)，進一步生長形成位錯墻和亞晶界，從而將晶粒進行分割，達到細化晶粒的目的。與此同時，晶內(nèi)的位錯群向晶界處遷移，并在晶界上產(chǎn)生湮滅和堆積，從而使晶界的位相差發(fā)生變化，促使小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)化。等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中，第二相組織Mg17Al12呈散亂的分布狀態(tài)，強化效果明顯，但存在各相異性的現(xiàn)象，材料的組織和性能不均勻。經(jīng)過塑性變形后，合金的強度提高，塑性和韌性下降，為使其塑性達到變形前的水平，需要進行再結(jié)晶退火處理［7－9］。

為改善5083鋁合金的力學(xué)性能，先后對其進行一道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理及再結(jié)晶退火處理，再進行拉伸實驗，分析變形溫度、變形速率對合金伸長率和抗拉強度的影響，并觀察合金的斷口形貌。

1 實驗

1.1 材料

實驗采用5083鋁合金，其化學(xué)成分見表1。等通道轉(zhuǎn)角擠壓采用經(jīng)過常規(guī)冷軋后的5083板材原料。

表1 軋制態(tài)5083鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 5083 aluminum alloy

1.2 方法

1.2.1 等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝

等通道轉(zhuǎn)角擠壓實驗原料為軋制態(tài)的5083鋁合金棒材，擠壓模具自行設(shè)計，擠壓原理示意如圖1所示。模具參數(shù)如下:兩個通道之間的相交角度φ=90°，外接弧角ψ=37°，外接弧半徑R=0.5 mm，通道尺寸為14 mm×14 mm。擠壓道次為一道次，擠壓溫度為200℃，擠壓速度為2 mm/s，潤滑劑采用7025高溫潤滑脂。

圖1 等通道轉(zhuǎn)角擠壓原理示意Fig.1 Schematic principle for ECAP

1.2.2 再結(jié)晶退火工藝

采用電阻爐對等通道轉(zhuǎn)角擠壓后的5083鋁合金進行再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火的溫度主要取決于冷變形程度，變形程度越小，金屬中畸變能越低，再結(jié)晶的驅(qū)動力越小，則再結(jié)晶溫度越高。由于等通道轉(zhuǎn)角擠壓屬于劇烈塑性變形，變形程度較大，實驗采用的再結(jié)晶溫度為270℃，保溫1 h，空氣中冷卻至室溫。

1.2.3 拉伸實驗

拉伸實驗在CMT5305微機控制電子萬能實驗機上進行，拉伸過程中實驗機夾頭的速度恒定，應(yīng)變速率不變，試樣拉伸至斷裂為止。拉伸試樣尺寸如圖2所示，其厚度為2 mm。拉伸溫度分別為100、200、300℃，拉伸應(yīng)變速率選取1.67×10－4、3.33×10－4、6.67×10－4s－1。

圖2 拉伸試件尺寸Fig.2 Tensile sample

1.2.4 斷口形貌觀察

利用CamScan MX2600掃描電子顯微鏡，觀察不同拉伸溫度下應(yīng)變速率為1.67×10－4s－1的斷口形貌。掃描電子顯微鏡工作電壓為20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸溫度與速率對合金力學(xué)性能的影響

表2給出了100、200、300℃下，應(yīng)變速率為1.67×10－4、3.33×10－4和6.67×10－4s－1的合金拉伸實驗結(jié)果。比較表2的數(shù)據(jù)可知，在拉伸溫度為100℃、應(yīng)變速率為6.67×10－4s－1時，合金的抗拉強度最高，為319.7 MPa;當拉伸溫度為300℃，應(yīng)變速率為1.67×10－4s－1時，合金的伸長率最大，為75.8%。

表2 不同溫度下試樣的拉伸實驗數(shù)據(jù)Table 2 Tensile test data of specimen under different temperatures

影響材料塑性變形的主要因素為變形速度、變形溫度和應(yīng)力狀態(tài)。在拉伸實驗過程中，變形速度和變形溫度是變化的，而應(yīng)力狀態(tài)始終控制為拉應(yīng)力狀態(tài)。在應(yīng)變速率為1.67×10－4s－1時，由于應(yīng)變速率較低，沒有熱效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生，所以在此應(yīng)變速率條件下，加工硬化、原子間作用力降低，以及再結(jié)晶軟化是影響材料塑性性能的主要原因［10］。通過鋁鎂合金相圖［11］可以查出，5083鋁合金的再結(jié)晶溫度為200℃左右，所以在溫度低于200℃時，由于溫度的升高金屬原子間的作用力下降，位錯運動的阻力下降，材料的抗拉強度和伸長率均下降。當溫度超過200℃時，再結(jié)晶軟化的作用效果比較明顯，當應(yīng)變速率升高到3.33×10－4s－1時，熱效應(yīng)現(xiàn)象出現(xiàn)，合金的再結(jié)晶程度加劇，再結(jié)晶軟化的作用效果明顯高于加工硬化的作用效果，導(dǎo)致材料的強度下降，而伸長率提高。

2.2 拉伸變形應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3為不同拉伸溫度條件下合金的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。從圖3中可以看出，100、200℃時，合金材料隨著應(yīng)變量的增加，均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化;300℃且應(yīng)變速率為1.67×10－4和3.33×10－4s－1時，合金材料隨著應(yīng)變量的增加，表現(xiàn)為先應(yīng)變軟化后應(yīng)變硬化;在應(yīng)變速率為6.67×10－4s－1時，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。

圖3 不同溫度下試樣拉伸變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Curves of stress-strain under different temperature

5083鋁合金在拉伸變形過程中出現(xiàn)應(yīng)變硬化和軟化現(xiàn)象的原因是，在高應(yīng)變速率拉伸時，晶粒發(fā)生了細化，流變應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。在塑性變形開始階段，加工硬化現(xiàn)象明顯，變形應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大，并到達峰值。增大應(yīng)變速率可使加工硬化現(xiàn)象加劇，同時峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變值增大。在穩(wěn)態(tài)變形階段，變形應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而下降，動態(tài)再結(jié)晶的軟化效果大于加工硬化的強化效果，總體上呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的現(xiàn)象。此時，動態(tài)再結(jié)晶所引起的晶粒細化會導(dǎo)致加工硬化加劇，超過變形開始階段的峰值，使得動態(tài)再結(jié)晶軟化效應(yīng)與熱加工硬化效應(yīng)處于相對平衡狀態(tài)。通過觀察應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)變形階段，曲線并不光滑，而呈細小的鋸齒狀，這是動態(tài)再結(jié)晶與加工硬化相互競爭、強化與軟化交互占優(yōu)的結(jié)果。

2.3 拉伸變形的斷口形貌

圖4給出了應(yīng)變速率為1.67×10－4s－1時不同溫度條件下試樣的斷口形貌。

圖4 不同溫度下拉伸試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of tensile specimens under different temperature

從圖4中可以看出，拉伸試樣的斷裂形式為韌性斷裂，微觀形式為穿晶斷裂，斷口形貌由韌窩組成。隨著拉伸溫度的升高，韌窩的數(shù)量逐漸增多，直徑逐漸增大，300℃時，韌窩的平均直徑最大，并且分布均勻，所以在此應(yīng)變速率下，合金的伸長率最大。

3 結(jié)論

(1)對于經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓處理后的5083鋁合金，再結(jié)晶退火能夠降低加工硬化對塑性變形能力的影響，并使第二相分布均勻。

(2)在拉伸溫度為100℃、應(yīng)變速率為6.67×10－4s－1時，合金的抗拉強度最高，為319.7 MPa;當拉伸溫度為300℃、應(yīng)變速率為1.67×10－4s－1時，合金的伸長率最大，為75.8%。

(3)在拉伸變形過程中，材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且伴隨有鋸齒形流變現(xiàn)象。

(4)拉伸試樣的斷裂形式為韌性斷裂，微觀形式為穿晶斷裂，斷口形貌由韌窩組成。隨著變形溫度的升高，韌窩的數(shù)量增多，尺寸變大，分布變均勻。

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