5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機(jī)理研究

吳海鵬，王正曦，麻彥龍，杜棋忠，林子皓

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶海德世拉索系統(tǒng)(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

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5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機(jī)理研究

吳海鵬1，王正曦1，麻彥龍1，杜棋忠2，林子皓2

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶海德世拉索系統(tǒng)(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

針對(duì)5182鋁合金軋制板材截面亮線組織現(xiàn)象，通過(guò)金相顯微技術(shù)、顯微硬度技術(shù)、掃描電子顯微技術(shù)(SEM)及電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)，表征了板材截面不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)，并結(jié)合板材的生產(chǎn)工藝過(guò)程，分析并討論了該亮線組織的形成機(jī)理及其對(duì)板材力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：5182鋁合金軋制板材截面亮線組織的產(chǎn)生與板材冷變形程度及穩(wěn)定化退火工藝有關(guān)，板材表層區(qū)域變形量比中心區(qū)域變形量大且穩(wěn)定化退火溫度較低或保溫時(shí)間較短，造成β相(Mg5Al8、Mg2Al3)在表層區(qū)域更容易析出，且沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，而中心區(qū)域β相數(shù)量較少，且未形成連續(xù)網(wǎng)狀，結(jié)果在軋制板材截面上形成亮線金相組織。

5182鋁合金；H32狀態(tài)；軋制；亮線組織

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和家用汽車保有量的持續(xù)增加，汽車輕量化成為汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要手段。汽車車身是汽車上材料用量最大的部件，約占汽車總質(zhì)量的30%，因此汽車車身的輕量化對(duì)于減輕車重、提高燃油效率具有重要意義。鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工和回收等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車上應(yīng)用最廣泛的輕量化材料[1]。目前，汽車車身用鋁合金的研究主要集中在2XXX(Al-Mg-Cu)、5XXX(Al-Mg)和6XXX(Al-Mg-Si)三大系列上[2]。5182鋁合金屬于5xxx系，具有中等強(qiáng)度，且加工性能和焊接性能良好，在成形性和抗腐蝕性方面具有類似普通鋼板的優(yōu)點(diǎn)，常用作汽車內(nèi)襯板和其他形狀復(fù)雜部件的加工材料。該系鋁合金不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化，其主要強(qiáng)化手段為固溶強(qiáng)化和加工硬化[3-4]。

本文針對(duì)汽車車窗玻璃升降器導(dǎo)軌用5182鋁合金軋制板材截面亮線組織現(xiàn)象，通過(guò)金相顯微技術(shù)、顯微硬度技術(shù)、掃描電子顯微技術(shù)(SEM)及電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)，表征了板材截面不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)，并結(jié)合板材的生產(chǎn)工藝過(guò)程，分析和討論了該亮線組織的形成機(jī)理及其對(duì)板材力學(xué)性能的可能影響。研究結(jié)果不僅為板材軋制和熱處理工藝的制定提供了理論參考，還為汽車零部件企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文的研究對(duì)象為t-1.4 5182-H32鋁合金軋制板材，其標(biāo)稱化學(xué)成分如表1所示。該鋁合金板材生產(chǎn)工藝流程(標(biāo)稱)：熔鑄→銑面→均熱→熱軋(粗軋)→熱軋(精軋)→冷軋→穩(wěn)定化退火→縱裁→包裝。在成品板材上切取大小10 mm×10 mm×1.4 mm試樣，取樣方式及觀察面如圖1所示。

表1 5182鋁合金化學(xué)成分

RD表示軋制方向；TD表示軋件的橫向；ND表示軋制面的法向圖1 板材軋制變形及取樣方式示意圖

為觀察軋制板材截面微觀組織，試樣從240#粒度的金相水磨砂紙逐級(jí)研磨至3000#粒度，后進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光劑為0.5 μm Al2O3懸濁液，去離子水清洗并用冷風(fēng)吹干待用。將機(jī)械拋光的試樣在Keller腐蝕試劑(HF 2 mL，HCl 3 mL，HNO35 mL，H2O 190 mL)中浸蝕60 s，然后在30%HNO3(體積分?jǐn)?shù))中漂洗5 s除去表面的腐蝕產(chǎn)物，之后用去離子水清洗，冷風(fēng)吹干制成金相試樣。將機(jī)械拋光的試樣進(jìn)行電解拋光制備可供EBSD分析的試樣。拋光電解液為10%HClO4+90% C2H5OH(體積分?jǐn)?shù))，拋光電壓為14V，時(shí)間為45s，電解液溫度控制在(-25±3)℃，酒精漂洗，冷風(fēng)吹干。使用LECAM 5000金相顯微鏡和Zeiss Sigma HD場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(配備有EBSD探頭)觀察分析試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)。用HDS-1000TM數(shù)字顯微硬度計(jì)對(duì)浸蝕后的試樣沿截面ND方向進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，載荷為0.2 kg，保載時(shí)間為10 s，測(cè)量點(diǎn)間隔0.1 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 光學(xué)顯微組織觀察

5182鋁合金軋制板材RD-ND面金相照片如圖2(a)所示，可以觀察到軋制板材經(jīng)浸蝕后RD-ND面中心區(qū)域呈現(xiàn)出一條白亮帶，白亮帶兩側(cè)表層區(qū)域較為暗淡。圖2(b)為軋制板材表層區(qū)域局部放大金相照片，可以明顯觀察到晶界，晶粒沿RD方向呈纖維狀分布。圖2(c)為軋制板材中心區(qū)域局部放大金相照片，未觀察到明顯晶界，表層區(qū)域及中心區(qū)域微觀組織中均分布有大小不一的腐蝕坑。

2.2 顯微硬度測(cè)定

為進(jìn)一步探究軋制板材表層區(qū)域和中心區(qū)域的差異，沿板材截面ND方向進(jìn)行顯微硬度測(cè)定。顯微硬度測(cè)定值如圖3所示，顯微硬度值沿板材厚度方向呈“V”形分布，中心區(qū)域顯微硬度明顯低于表層區(qū)域顯微硬度。

2.3 掃描電鏡觀察

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)一步觀察軋制板材經(jīng)浸蝕后表層區(qū)域和中心區(qū)域微觀組織結(jié)構(gòu)的差異。圖4(a)為軋制板材浸蝕后的SEM，可測(cè)量出軋制板材的中心區(qū)域(白亮帶)寬度約為238 μm。圖4(b)為圖4(a)中A方框區(qū)域的局部放大圖，更為清晰地顯示了中心區(qū)域和表層區(qū)域微觀形貌的差異。在后續(xù)討論中可知圖中的小坑主要是由浸蝕過(guò)程中β相(Mg2Al3、Mg5Al8)優(yōu)先腐蝕所留下的。在更高的放大倍數(shù)下可以看出：表層區(qū)域組織中有大量腐蝕小坑且主要沿晶界連續(xù)分布(圖4(c))，而中心區(qū)域中小坑的數(shù)量明顯減少且呈彌散分布(圖4(d))。需要指出的是，這些腐蝕坑的數(shù)量和分布表明了不同區(qū)域析出物的數(shù)量和分布。

圖2 5182鋁合金軋制板材截面金相照片

圖3 軋制板材截面方向上顯微硬度值分布

2.4 EBSD分析

采用EBSD技術(shù)進(jìn)一步觀察分析軋制板材表層和中心區(qū)域的晶粒形貌和取向分布。圖5(a)、(b)分別為表層和中心區(qū)域的IPF圖。圖5(c)、(d)分別為表層和中心區(qū)域的晶界分布圖。從IPF圖中可知：軋制板材整個(gè)截面上的晶粒呈纖維狀分布，為典型的冷變形組織。中心區(qū)域的晶粒尺寸稍大于表層區(qū)域晶粒尺寸，表明中心區(qū)域的變形量略小于表層區(qū)域。從晶界分布圖中可知：軋制板材整個(gè)截面上晶粒內(nèi)部分布著大量小角度晶界，表明軋制板材在退火過(guò)程中尚未發(fā)生明顯再結(jié)晶。

圖4 軋制板材浸蝕處理后SEM照片

圖5 軋制板材截面EBSD圖(黑色為大角度晶界，>15°; 灰色為小角度晶界，2°～15°)

3 分析與討論

3.1 中心亮線形成的光學(xué)本質(zhì)

從金相照片(圖2(a))中可以明顯觀察到：軋制板材中心位置存在一條白亮帶，這是由于軋制板材不同區(qū)域微觀組織對(duì)光線反射能力不同所造成的。本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)浸蝕的方法來(lái)顯示金相組織。化學(xué)浸蝕過(guò)程也是一個(gè)化學(xué)/電化學(xué)溶解過(guò)程，由于各相在電解質(zhì)溶液中具有不同的電極電位，可形成許多微電池，電位較低的相充當(dāng)微電池的陽(yáng)極，在電解液中迅速溶解，溶解處呈現(xiàn)凹陷或溝槽，而電位較高的另一相成為陰極，未發(fā)生腐蝕，保持原光滑平面[5]。從透鏡內(nèi)垂直照射到試樣表面的平行光將發(fā)生反射和吸收，如果試樣表面是鏡面，光線全部原路返回，最后成像成為亮點(diǎn)；如果試樣表面有不平的溝槽，部分光線反射后不能進(jìn)入物鏡，這些區(qū)域所成的像較為暗淡。結(jié)合軋制板材浸蝕后表層區(qū)域和中心區(qū)域微觀組織形貌(圖4(c)和(d))，表層區(qū)域溝壑狀形貌極大地增加了表面粗糙度，中心區(qū)域則比較平整。溝壑狀形貌的表面對(duì)光線的反射能力較差，平整的表面對(duì)光線的反射能力較強(qiáng)。因此軋制板材中心亮線形成的原因是表層和中心區(qū)域微觀形貌對(duì)光線反射能力的不同，進(jìn)而在通過(guò)肉眼或者金相顯微鏡觀察軋制板材金相組織時(shí)觀察到中心區(qū)域較為明亮，表層區(qū)域較為暗淡。

3.2 中心亮線形成的組織因素

軋制板材浸蝕后表層區(qū)域和中心區(qū)域微觀形貌的差異造成對(duì)光線反射能力的不同，進(jìn)而在軋制板材的截面呈現(xiàn)出中心亮線的光學(xué)現(xiàn)象，而化學(xué)浸蝕后組織形貌的差異與其組織結(jié)構(gòu)差異存在聯(lián)系。5182鋁合金組織中的細(xì)小顆粒狀金屬間化合物主要為β相(Mg5Al8、Mg2Al3)[6-7]。5XXX系鋁合金中的Mg通常處于過(guò)飽和狀態(tài)，在室溫下相當(dāng)穩(wěn)定。如果將合金進(jìn)行一定程度的變形，并在一定溫度下退火，則固溶體中將會(huì)析出β相，β相的時(shí)效強(qiáng)化效果不大而且易于沿晶界或剪切帶析出，形成β相網(wǎng)絡(luò)[8-9]。Al-Mg合金中β相的腐蝕電位為-1.15 V，α固溶體的腐蝕電位為-0.82 V，浸蝕過(guò)程中β相對(duì)于基體α(Al)來(lái)說(shuō)是陽(yáng)極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕[8]，這解釋了圖2和圖4中腐蝕小坑的形成原因。因此，中心亮線產(chǎn)生的根本原因是表層及中心區(qū)域微觀組織結(jié)構(gòu)的差異，即β相在表層區(qū)域更容易析出且沿晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀，而中心區(qū)域β相數(shù)量較少且未形成連續(xù)網(wǎng)狀。

相關(guān)研究表明[10]：Al-Mg合金中析出相β沿晶界沉積形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的傾向與冷變形量、合金成分、穩(wěn)定化退火工藝等多種因素有關(guān)，并且隨著冷變形程度的增大、Mg含量的增高、穩(wěn)定化退火溫度的降低及時(shí)間的縮短，這種網(wǎng)狀的形成傾向也愈強(qiáng)烈。結(jié)合軋制板材EBSD圖(圖5)分析可知：表層區(qū)域晶粒尺寸略小于中心區(qū)域的晶粒尺寸，且更加扁平細(xì)長(zhǎng)，表明中心區(qū)域的變形量略小于表層區(qū)域。當(dāng)穩(wěn)定化退火溫度較低時(shí)，析出相極易沿位錯(cuò)、雜質(zhì)聚集的晶界處析出，隨著析出物的聚集，進(jìn)一步加快析出相的沉積，最終形成連續(xù)分布沉淀網(wǎng)絡(luò)。冷加工還會(huì)加速析出相的沉積，進(jìn)一步加快了β相沿晶界連續(xù)析出的速度。隨著穩(wěn)定化退火溫度的升高，析出相優(yōu)先在亞晶界與晶界的交切點(diǎn)上沉積，沿晶界形成沉淀網(wǎng)狀的傾向降低，且在晶粒內(nèi)更加均勻分布[11]?？梢?jiàn)，軋制板材由于變形程度的不均勻及穩(wěn)定化退火溫度低或者退火時(shí)間短等因素導(dǎo)致在表層區(qū)域析出相數(shù)量大于中心區(qū)域析出相數(shù)量，并且析出相主要沉積于表層區(qū)域晶界部位，進(jìn)而造成軋制板材浸蝕后表層和中心區(qū)域微觀形貌的差異。當(dāng)通過(guò)肉眼或者金相顯微鏡觀察軋制板材金相組織時(shí)，由于光學(xué)原因，使得觀察到的中心區(qū)域組織較為明亮，表層區(qū)域組織較為暗淡。

3.3 亮線組織對(duì)板材性能的影響

史朝陽(yáng)等[12]研究了退火溫度對(duì)5182車用鋁合金冷軋板的組織及性能的影響，結(jié)果表明：隨著退火溫度的升高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)退火溫度在300 ℃～325 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別由原來(lái)240 MPa、379 MPa快速降低到114 MPa、258 MPa；同時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)也大幅度提高，250 ℃以后冷軋板逐漸開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶，當(dāng)退火溫度達(dá)到335 ℃ 并保溫30 min后，冷軋板材已經(jīng)發(fā)生了完全再結(jié)晶，材料拉伸沖壓性能得到了很大改善。王孟君等[13]研究了340 ℃～400 ℃退火溫度對(duì)5182鋁合金冷軋板組織與性能的影響，結(jié)果表明：隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的抗拉強(qiáng)度逐漸減低，延伸率逐漸升高。

圖5 EBSD組織結(jié)構(gòu)分析表明：軋制板材整個(gè)截面上的晶粒呈纖維狀分布，晶粒內(nèi)部有大量小角度晶界，為典型的冷變形組織。因材料尚未發(fā)生再結(jié)晶，所以保留了一定程度的加工硬化效果，其冷沖壓成型性能有所下降。β相優(yōu)先在表層區(qū)域組織中沿晶界析出，一定程度上增加了板材變形過(guò)程中晶界斷裂的傾向[14]。同時(shí)β相電極電位明顯低于基體，容易與周圍基體形成微小原電池而發(fā)生陽(yáng)極溶解，增加了合金晶間腐蝕和剝蝕敏感性[15-16]。在滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度前提下，為進(jìn)一步提高其成型性能，可在板材生產(chǎn)制造過(guò)程中適當(dāng)提高穩(wěn)定化退火溫度或適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)定化退火時(shí)間，并在服役過(guò)程中做好相關(guān)防腐蝕處理以提高服役壽命。

4 結(jié)論

1) 5182鋁合金軋制板材整個(gè)截面上晶粒呈纖維狀分布，為典型的冷變形組織；與表層區(qū)域組織相比，中心區(qū)域組織的晶粒略粗大，顯微硬度略低，晶界析出物的數(shù)量較少，浸蝕后呈現(xiàn)亮線組織；板材表層區(qū)域的變形量比中心區(qū)域大、穩(wěn)定化退火溫度較低或保溫時(shí)間較短是造成出現(xiàn)亮線組織的根本原因。

2) 由于β相在板材表層沿晶界呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，增加了板材晶間腐蝕和剝落腐蝕的敏感性，因此可通過(guò)適當(dāng)提高穩(wěn)定化退火溫度或適當(dāng)延長(zhǎng)穩(wěn)定化退火時(shí)間來(lái)獲得更加均勻的微觀組織。

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(責(zé)任編輯 何杰玲)

Root Cause for Lighted Structure on the Cross Section of Rolled 5182 Aluminum Alloy plate

WU Hai-peng1, WANG Zheng-xi1, MA Yan-long1, Mori Kichu2, LIN Zi-hao2

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Chongqing HI-LEX Cable System Group Co., Ltd.,Chongqing 401120, China)

The root cause for lighted structure developed on the cross section of rolled 5182 aluminum alloy plate was investigated through metallographic microscopy, micro-hardness testing, scanning electron microscopy (SEM) and electron back scattered diffraction (EBSD). Based on microstructure in different areas of the plate section and the plate production process, we analyzed and discussed the formation mechanism of the bright line and its effect on mechanical behavior of the plate. The results show that the lighted structure is related to the cold-rolling technology and the stabilizing annealing process. The inhomogeneous deformation and unreasonable annealing process led to increased precipitation of β (Mg5Al8、Mg2Al3) phase at the grain boundary in the near-surface region of the plate. The difference in microstructure between the near-surface region and the central region of the plate resulted in the lighted structure.

5182 Aluminum alloy; H32 State; rolling; lighted structure

2017-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51301214)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2016jcyjA0490)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400928)

吳海鵬(1993—)，男，山西平遙人，碩士研究生，主要從事輕合金腐蝕與防護(hù)研究，E-mail:2297379864@qq.com；通訊作者 麻彥龍(1978—)，男，甘肅慶陽(yáng)人，博士，教授，主要從事輕合金腐蝕與防護(hù)研究，E-mail:myl@cqut.edu.cn。

吳海鵬，王正曦，麻彥龍，等.5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機(jī)理研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):58-63.

format：WU Hai-peng, WANG Zheng-xi, MA Yan-long,et al.Root Cause for Lighted Structure on the Cross Section of Rolled 5182 Aluminum Alloy plate[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):58-63.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.010

TG335.12

A

1674-8425(2017)04-0058-06