累計拉拔變形量及退火溫度對3003鋁合金線材組織和性能的影響

王高松，李強(qiáng)強(qiáng)，張博洋1，，楊 光，葉子超，趙志浩，3

（東北大學(xué)1.材料電磁過程研究教育部重點實驗室；2.材料科學(xué)與工程學(xué)院；3.金屬型線材研究中心，沈陽 110819）

3003鋁合金屬于Al-Mn系合金，具有良好的塑性、可焊接性及耐腐蝕性，是防銹鋁中應(yīng)用最為廣泛的一種［1］.目前市場上3003鋁合金的主導(dǎo)產(chǎn)品為板材，主要用于制造易拉罐、化工產(chǎn)品的貯存裝置、運(yùn)輸液體產(chǎn)品的槽罐、壓力罐、飛機(jī)油箱、油路導(dǎo)管、防盜蓋和罩冒等需沖壓成形、有高抗蝕性和可焊性的零部件［2-4］，此外還有少量線材產(chǎn)品用于鋁合金鉚釘?shù)闹苽?3003鋁合金強(qiáng)度中等且不可熱處理強(qiáng)化，通常采用冷變形的手段進(jìn)行強(qiáng)化.但由于冷變形會使材料的塑性明顯變差，因此需要采用合理的退火工藝進(jìn)行配合，才能獲得較好的綜合性能.本文中對3003鋁合金擠壓線材進(jìn)行多道次拉拔及退火實驗，重點研究拉拔變形量及退火溫度對3003鋁合金線材組織和性能的影響規(guī)律，以期為3003鋁合金鉚釘線材的制備工藝提供參考.

1 實驗材料及過程

1.1 實驗材料及方案

實驗所用材料是經(jīng)1000JX反向擠壓機(jī)擠壓所得Φ12 mm的3003鋁合金線材.將Φ12 mm的擠壓線材以每道次約20%的變形量逐道次拉拔至6 mm，其累積變形量為75%，具體拉拔方案如表1所列.本實驗線材拉拔道次的變形量用線材斷面減縮率Ψ表示，計算公式為Ψ＝（Fq-Fh）／Fq.其中，F(xiàn)q和Fh分別表示拉拔前后線材的橫截面積.在每道次拉拔后進(jìn)行取樣，作為后續(xù)微觀組織觀察和力學(xué)性能檢測的試樣.結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［5-7］，對拉拔所得的6 mm線材在退火溫度為370，390，410，430和450℃的條件下進(jìn)行1 h退火處理.隨后對退火處理后的線材進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能檢測，用以分析退火溫度對3003鋁合金拉拔線材組織和性能的影響.

表1 3003鋁合金拉拔實驗方案Table 1 Drawing test scheme of 3003 aluminum alloy

1.2 檢測方法

利用線切割選取大小合適的金相試樣，將試樣縱截面在砂紙上打磨平整，再進(jìn)行機(jī)械拋光，待試樣表面光滑無劃痕后，對試樣縱截面進(jìn)行陽極覆膜.隨后，利用OLYMPUS BX53顯微鏡在偏振光條件下對試樣微觀組織進(jìn)行觀察分析.使用維氏硬度計對實驗各階段線材橫截面的不同位置進(jìn)行硬度測試，試驗力為29.4 N，加載保持時間為10 s，每個條件的試樣測試5個點，取其平均值作為該條件下試樣的硬度.按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗方法》（GB／T 228.1—2010）加工拉伸試樣并進(jìn)行室溫拉伸性能檢測，每個條件下取3個試樣，將其平均值作為該條件的檢測結(jié)果.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 累積變形量對3003鋁合金線材組織和性能的影響

圖1示出了3003鋁合金線材經(jīng)不同變形量拉拔后縱截面的偏光組織.由圖可知：在連續(xù)拉拔過程中，線材保持沿拉拔方向（橫向）的纖維狀晶粒形態(tài)；隨著累積變形量的逐漸增大，線材組織越來越致密，晶粒越來越細(xì)長.為了定量分析拉拔線材的晶粒組織隨累積變形量變化的規(guī)律，利用Image Pro-Plus圖像分析軟件對圖1中各道次線材纖維狀組織的尺寸進(jìn)行測量.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著累積變形量的不斷增加，3003鋁合金線材內(nèi)部纖維狀組織的平均直徑越來越?。划?dāng)拉拔變形量為20.5%時，纖維狀組織的平均直徑約為20μm；當(dāng)累計變形量達(dá)到75%時，纖維狀組織的平均直徑約為10μm.

圖1 3003鋁合金不同拉拔變形量線材的微觀組織Fig.1 Microstructures of 3003 aluminum alloy wires rod with different drawing deformations

圖2示出了3003鋁合金線材力學(xué)性能隨拉拔變形量的變化規(guī)律.通過力學(xué)性能檢測發(fā)現(xiàn)，3003鋁合金擠壓坯料抗拉強(qiáng)度為142 MPa，屈服強(qiáng)度為102 MPa，伸長率為44.4%，維氏硬度為40±2.隨著拉拔變形量由0逐漸增大至75%，3003鋁合金線材的抗拉強(qiáng)度逐漸增至226 MPa，屈服強(qiáng)度也逐漸增至210 MPa，維氏硬度增至67±1.同時，隨著變形量的不斷增大，3003鋁合金線材的塑性明顯變差，伸長率由44.4%降至16.4%.這是由于合金在塑性變形過程中，位錯增殖使位錯密度不斷增加，最終在晶界處形成位錯塞積.隨著累積變形量的增大，線材晶粒內(nèi)部的位錯塞積變得愈發(fā)嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致線材的強(qiáng)度和硬度均增大［8-9］.此外，位錯塞積還會使線材晶粒變得難以滑移，從而導(dǎo)致線材塑性下降，宏觀上表現(xiàn)為線材伸長率明顯減小.

圖2 3003鋁合金拉拔線材力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of 3003 aluminum alloy drawing wires

2.2 退火溫度對3003鋁合金線材組織和性能的影響

圖3示出了3003鋁合金冷拉拔線材經(jīng)不同溫度退火處理1 h后縱截面的偏光組織.當(dāng)退火溫度為370℃時［見圖3（a）］，3003鋁合金線材內(nèi)部仍保持纖維狀組織.當(dāng)退火溫度達(dá)到390℃時［見圖3（b）］，開始出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，線材中心有部分等軸晶替代了原始的纖維狀組織，但線材邊部仍保持纖維狀組織.隨著退火溫度的繼續(xù)上升，線材內(nèi)部再結(jié)晶程度提高，線材邊部纖維狀組織減少.當(dāng)退火溫度達(dá)到430℃時［見圖3（d）］，線材內(nèi)部組織均為再結(jié)晶組織，且由大小均勻的等軸晶組成.當(dāng)退火溫度升至450℃時［見圖3（e）］，線材內(nèi)部仍由大小均勻的等軸晶組成，但與退火溫度為430℃時相比，等軸晶的尺寸明顯減小.這主要是隨著退火溫度的上升，再結(jié)晶晶粒形核和長大的驅(qū)動力均增強(qiáng)，變形晶粒晶界上的形核數(shù)量增加［10］，最終導(dǎo)致形成的再結(jié)晶晶粒增多、再結(jié)晶晶粒尺寸減小.當(dāng)退火溫度達(dá)到470℃時［見圖3（f）］，與退火溫度為450℃時相比，線材內(nèi)部的再結(jié)晶晶粒尺寸無明顯變化.

圖4示出了3003鋁合金冷拉拔線材退火后的力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系.當(dāng)退火溫度為370℃時，線材抗拉強(qiáng)度為165 MPa，比退火前降低了61 MPa，屈服強(qiáng)度也由退火前的210 MPa降至143 MPa，而伸長率增至18.9%，比退火前增加了2.5%.結(jié)合圖3（a）分析可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)退火溫度為370℃時，線材內(nèi)部未發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，但在高溫環(huán)境下發(fā)生了靜態(tài)回復(fù).這是由于退火溫度較高，材料內(nèi)部原子活性變大，使得位于同一滑移面上的異號位錯相互吸引而抵消.此時，線材內(nèi)部位錯密度下降，位錯運(yùn)動所受的阻礙減小，主要表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度和硬度減小，伸長率增大.當(dāng)退火溫度達(dá)到390℃時，線材的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步減小，抗拉強(qiáng)度降至135 MPa，維氏硬度降至37±1，而伸長率進(jìn)一步增至20.5%.這是因為在該溫度下，線材內(nèi)部開始發(fā)生再結(jié)晶，部分新的再結(jié)晶晶粒代替原來畸變的纖維狀組織，使得線材的強(qiáng)度和硬度進(jìn)一步下降.當(dāng)退火溫度達(dá)到430℃時，線材內(nèi)部組織完全轉(zhuǎn)化為再結(jié)晶組織，此時線材的強(qiáng)度和硬度降至最低，抗拉強(qiáng)度為118 MPa，維氏硬度為33.當(dāng)退火溫度繼續(xù)上升時，線材的強(qiáng)度沒有明顯變化，但伸長率仍有所增大.這是由于當(dāng)退火溫度為450～470℃時，線材內(nèi)部再結(jié)晶晶粒的大小更均勻，且晶粒形狀更細(xì)小，這使線材在塑性變形時內(nèi)部晶粒更易協(xié)調(diào)變形，故塑性仍有所提高.

圖3 不同溫度退火后3003鋁合金線材微觀組織Fig.3 Microstructures of 3003 aluminum alloy wires after annealing at different temperatures

圖4 不同溫度退火后3003鋁合金線材力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties of 3003 aluminum alloy wires after annealing at different temperatures

綜合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：3003鋁合金冷拉拔線材再結(jié)晶開始溫度為390℃，再結(jié)晶終止溫度為450℃；線材在450～470℃退火時，其微觀組織、強(qiáng)度和硬度均沒有發(fā)生明顯變化.

3 結(jié) 論

（1）3003鋁合金擠壓線材在冷拉拔變形過程中保持纖維狀組織，隨著累計變形量的不斷增加，纖維狀組織不斷變細(xì).

（2）在冷拉拔變形過程中，3003鋁合金因加工硬化作用，其強(qiáng)度和硬度不斷增大，伸長率逐漸減小.

（3）隨著退火溫度的上升，冷拉拔線材再結(jié)晶程度不斷提升，線材內(nèi)部纖維狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，線材的強(qiáng)度和硬度逐漸降低.當(dāng)退火溫度達(dá)到430℃后，線材內(nèi)部組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，強(qiáng)度和硬度降到最低.此時，再繼續(xù)升高退火溫度，線材內(nèi)部組織無明顯變化，強(qiáng)度和硬度的變化趨于穩(wěn)定.

（4）3003鋁合金冷拉拔線材再結(jié)晶開始溫度為370℃，終止溫度為450℃.線材經(jīng)450℃退火1 h后，發(fā)生完全再結(jié)晶，且晶粒大小均勻.線材抗拉強(qiáng)度為115 MPa，屈服強(qiáng)度為101 MPa，伸長率為23%，維氏硬度為35.5±1.