中間退火對(duì)5052鋁合金組織與性能的影響

楊 勇 張全成 田青超

(1. 上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444;2. 江蘇常鋁鋁業(yè)股份有限公司，江蘇 蘇州 215532)

汽車工業(yè)的發(fā)展要求車身的質(zhì)量進(jìn)一步減輕，這為Al- Mg (AA 5xxx)合金的應(yīng)用提供了廣闊的空間。鋁合金具有密度低、抗沖擊性好及可再生利用的特點(diǎn)，通過(guò)微合金化及熱處理等方法得到的強(qiáng)化鋁合金，其比強(qiáng)度超過(guò)很多合金鋼，替代傳統(tǒng)鋼板時(shí)可減重50%以上[1]。但5xxx系鋁合金經(jīng)拉伸或沖壓成形后表面易出現(xiàn)呂德斯帶和橘皮組織等缺陷[2]，板材產(chǎn)生明顯的各向異性，使斷后伸長(zhǎng)率無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

軋制與再結(jié)晶織構(gòu)對(duì)鋁合金薄板的塑性各向異性有重要影響[3]。因此，制備具有優(yōu)良各向同性力學(xué)性能的鋁合金薄板是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一[4]。鋁合金熱軋板材織構(gòu)主要由軋制和再結(jié)晶織構(gòu)組成[5]。軋制織構(gòu)主要有Brass{011}<211>、S{123}<634>、Copper{112}<111>、Goss{011}<100>以及r- Cube{001}<110>等[6]，再結(jié)晶織構(gòu)包括Cube{100}<001>、H{100}<011>以及P {110}<233>等。熱軋條件的差異，包括合金成分、冷軋前的初始組織和織構(gòu)、壓下量和退火溫度等都會(huì)影響鋁合金的再結(jié)晶織構(gòu)[7]。利用極圖和反極圖只能對(duì)織構(gòu)進(jìn)行定性分析，因此需要建立一個(gè)利用三維空間描述多晶體取向分布的取向分布函數(shù)(ODF,orientation distribution function)法對(duì)織構(gòu)進(jìn)行定量分析[8- 9]。

鑄錠經(jīng)過(guò)多道次軋制及退火處理后，晶粒發(fā)生回復(fù)及再結(jié)晶，這一過(guò)程不可避免地會(huì)使晶粒產(chǎn)生擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，形成粗大或者大小不均勻的晶粒。通常，細(xì)晶合金比粗晶合金再結(jié)晶速度快。晶界是有利的形核位置，細(xì)晶合金的可用形核位置數(shù)量更多，因此再結(jié)晶組織更為均勻[10]。在大變形軋制條件下，變形晶粒的回復(fù)及再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力更大，對(duì)材料的組織與性能影響也更大。本文以商用5052鋁合金為研究對(duì)象，通過(guò)中間退火研究了大軋制變形的5052鋁合金板材微觀結(jié)構(gòu)及性能的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為商用5052鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 5052 鋁合金的化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the 5052 aluminum alloy (mass fraction) %

生產(chǎn)工序?yàn)椋?1)480 mm厚5052鋁錠→(2)530 ℃×14 h加熱→(3)多道次熱軋至7、4和2.5 mm→(4)多道次冷軋至1.05 mm，取部分板材進(jìn)行300 ℃×9 h的中間退火，另一部分不熱處理；再將所有板材依次冷軋至0.30、0.25、0.18 mm成品厚度→(5)300 ℃×9 h再結(jié)晶退火。為了便于說(shuō)明，將前者稱為中退工藝，后者稱為直軋工藝。

退火后沿板材軋制方向取金相試樣。試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，在15 mL HNO3+50 mL HClO4+950 mL甲醇混合溶液中進(jìn)行電解拋光，以除去變形層[4]；再用Barker試劑(50 mL HBF4+950 mL水)進(jìn)行陽(yáng)極氧化。試樣經(jīng)陽(yáng)極氧化覆膜后在金相顯微鏡下用偏振光觀察微觀組織，之后對(duì)板材進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，試驗(yàn)力為50 g。

沿與板材軋向呈 0°、45°和 90°的3個(gè)方向上切取拉伸試樣，在WDW- 200電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為10-3s-1。再按上述方法制備拉伸試樣未頸縮區(qū)的金相試樣。

采用Bruker D8 Discover X射線衍射儀測(cè)試板材表面的宏觀織構(gòu)。采用CuKα輻射，用Schulz背反射法測(cè)量(111)、(200)和(220)極圖，最大傾斜角為75°，電壓為40 kV，電流為40 mA。利用級(jí)數(shù)展開法(lmax=16)從3個(gè)不完全極圖中計(jì)算取向分布函數(shù)(ODFs)[11]，即恒φ2的ODF截面圖，其中歐拉空間中的等強(qiáng)度線由歐拉角φ1、φ和φ2限定[9]，本文采用φ2=45°和φ2=90°截面圖來(lái)表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

兩種工藝處理的不同厚度5052鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，兩種工藝下不同厚度中退試樣沿不同方向的屈服強(qiáng)度均低于直軋?jiān)嚇?，相同厚度中退試樣的屈服?qiáng)度均比直軋?jiān)嚇拥牡?0 MPa左右。中退試樣的屈服強(qiáng)度為90～93 MPa，直軋?jiān)嚇拥那?qiáng)度為99～102 MPa。從圖1(b)中可以看出，不同厚度直軋?jiān)嚇友夭煌较虻目估瓘?qiáng)度均略高于中退試樣。

圖1 兩種工藝處理的5052鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Fig.1 Yield and tensile strengths of the 5052 aluminum alloys treated by two processes

兩種工藝處理的5052鋁合金的斷后伸長(zhǎng)率如圖2所示。如圖2(a)所示，中退試樣在3個(gè)方向上的斷后伸長(zhǎng)率差別不大，隨著板材厚度的增加，斷后伸長(zhǎng)率逐漸降低，其中軋制方向(0°)的斷后伸長(zhǎng)率較與軋向呈45°和90°方向的略低1%～2%。如圖2(b)所示，直軋?jiān)嚇榆埾虻臄嗪笊扉L(zhǎng)率相比與軋向呈45°和90°方向的低很多，其中0.18 mm厚試樣90°方向的斷后伸長(zhǎng)率為27%，而0°方向的僅為18%，相差9%。當(dāng)板材厚度增加到0.3 mm時(shí)，不同方向斷后伸長(zhǎng)率的差值減小。比較圖2(a)和圖2(b)可見，雖然直軋?jiān)嚇?5°和90°方向的斷后伸長(zhǎng)率高于中退試樣，但由于軋制方向的斷后伸長(zhǎng)率太低，材料存在顯著的各向異性。中退試樣3個(gè)方向的斷后伸長(zhǎng)率較為接近，各向異性明顯減弱，有利于板材的成形。

圖2 兩種工藝處理的5052鋁合金的斷后伸長(zhǎng)率Fig.2 Elongation of the 5052 aluminum alloys treated by two processes

圖3為兩種工藝處理的5052鋁合金的顯微硬度?？梢姴煌穸戎型嗽嚇拥娘@微硬度均低于直軋?jiān)嚇?。其?.18 mm中退試樣的硬度為56.5 HV0.05，而直軋?jiān)嚇拥挠捕雀哌_(dá)61.2 HV0.05。隨著試樣厚度的增加，硬度下降。

圖3 兩種工藝處理的5052鋁合金的顯微硬度Fig.3 Micro- hardness of the 5052 aluminum alloys treated by two processes

2.2 斷口形貌

圖4為兩種工藝處理的0.18 mm厚5052鋁合金的拉伸斷口SEM形貌，兩種試樣的斷口均呈現(xiàn)塑性斷裂的韌窩特征，且大韌窩周圍有許多小韌窩。直軋?jiān)嚇永鞌嗫诘捻g窩較為細(xì)小，而中退試樣的韌窩更為發(fā)達(dá)、大小分布更為均勻，說(shuō)明材料的塑性更好，拉斷時(shí)，晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性更好[12]。

圖4 兩種工藝處理的0.18 mm厚5052鋁合金拉伸斷口的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of fracture of the 0.18- mm- thick 5052 aluminum alloy treated by two processes

2.3 微觀組織

圖5為兩種工藝處理的0.18 mm厚5052鋁合金的顯微組織。中退試樣晶粒尺寸約40 μm，直軋?jiān)嚇泳Я３叽缂s22 μm。

中間退火的板材在軋制過(guò)程中進(jìn)行了一次再結(jié)晶，因此直軋?jiān)嚇拥奈诲e(cuò)密度和變形儲(chǔ)存能比中退試樣的高。Bennett等[13- 14]研究發(fā)現(xiàn)，尺寸小于1 μm的粒子不利于PSN(粒子刺激形核)效應(yīng)，直接軋制更有利于形成細(xì)小彌散的析出相，使再結(jié)晶晶核難以長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生尺寸差異。

圖5 兩種工藝處理的0.18 mm厚5052 鋁合金的顯微組織Fig.5 Microstructures of the 0.18- mm- thick 5052 aluminum alloy treated by two processes

晶界對(duì)多晶體變形抗力的影響可通過(guò)晶粒大小直接體現(xiàn)[15]。屈服強(qiáng)度σS與晶粒平均直徑d的關(guān)系可用霍爾- 佩奇公式表示：

σS=σ0+Kd-1/2

(1)

式中：σS是材料的屈服強(qiáng)度，σ0和K是常數(shù)，d是平均晶粒尺寸。當(dāng)d-1/2<1 500 m-1/2時(shí)，σ0≈50 MPa，K≈0.3 m1/2MPa[16]。由此經(jīng)計(jì)算可知，中退試樣的屈服強(qiáng)度約為97 MPa，直軋?jiān)嚇拥那?qiáng)度約為112 MPa，這與圖1中的實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

在室溫拉伸變形時(shí)，隨著變形量的增加，位向有利的晶粒優(yōu)先發(fā)生塑性變形，取向發(fā)生變化。圖6為兩種工藝處理的0.18 mm厚5052鋁合金試樣拉伸后的顯微組織，可以看出，中退試樣晶粒沿最大切應(yīng)力方向(即與拉伸方向呈45°角)呈明顯的流變特征(圖6(a))，而直軋?jiān)嚇拥牧髯兲卣鞑⒉幻黠@(圖6(b))。表明中退試樣沿軋向具有較好的變形協(xié)調(diào)性，使其沿軋向的斷后伸長(zhǎng)率優(yōu)于直軋?jiān)嚇印?/p>

圖6 兩種工藝處理的0.18 mm厚5052鋁合金試樣拉伸后的顯微組織Fig.6 Microstructures of tensile specimens for the 0.18- mm- thick 5052 aluminum alloy treated by two processes

2.4 織構(gòu)演變

圖7、圖8分別為兩種工藝處理的不同厚度 5052鋁合金的取向分布函數(shù)(ODF)在φ2為45°和90°上的截面圖。從φ2=45°ODF截面圖中(圖7)可以看出，直軋?jiān)嚇拥闹饕棙?gòu)類型為B織構(gòu){110}<112>，且隨著板材厚度的增加，開始出現(xiàn)較弱的Cube織構(gòu){100}<001>和H織構(gòu){100}<011>等再結(jié)晶織構(gòu)；中退試樣的主要織構(gòu)除了B織構(gòu){110}<112>外，還有較強(qiáng)的Cube織構(gòu){100}<001>，且0.18 mm厚試樣中還存在較弱的H織構(gòu){100}<011>。圖8中φ2=90°ODF截面上的織構(gòu)特征與45°ODF截面上的類似。此外，隨著板材厚度的增加，Goss織構(gòu){110}<001>略微增強(qiáng)，這在直軋?jiān)嚇又斜憩F(xiàn)得更加明顯。

圖7 兩種工藝處理的不同厚度5052鋁合金在φ2=45°時(shí)ODF截面圖Fig.7 φ2=45° ODF figures of the 5052 aluminum alloy of different thicknesses treated by two processes

圖8 兩種工藝處理的不同厚度5052鋁合金在φ2=90°時(shí)ODF截面圖Fig.8 φ2=90° ODF figures of the 5052 aluminum alloy of different thicknesses treated by two processes

圖9為兩種工藝處理的不同厚度5052鋁合金的織構(gòu)強(qiáng)度變化。在45°ODF截面圖中(圖9(a))，隨著板材厚度的增加，直軋?jiān)嚇拥能堉瓶棙?gòu)B織構(gòu){110}<112>的強(qiáng)度均高于中退試樣，而再結(jié)晶織構(gòu)Cube{100}<001>則表現(xiàn)出完全相反的趨勢(shì)，中退試樣Cube織構(gòu)的強(qiáng)度均高于直軋?jiān)嚇印Ｔ?0°ODF截面圖(圖9(b))中，直軋?jiān)嚇拥能堉瓶棙?gòu)B織構(gòu)的強(qiáng)度也略高于中退試樣。此外，0.18 mm厚中退試樣的再結(jié)晶織構(gòu)組分為Cube和H織構(gòu)，表明隨著軋制壓下量的增加，再結(jié)晶織構(gòu)Cube會(huì)有一部分轉(zhuǎn)化為H織構(gòu)，從而使中退試樣再結(jié)晶織構(gòu)的整體強(qiáng)度高于直軋?jiān)嚇?，宏觀上表現(xiàn)出更優(yōu)良的各向同性。

圖9 兩種工藝處理的不同厚度5052鋁合金的織構(gòu)強(qiáng)度變化Fig.9 Variation of texture intensity of the 5052 aluminum alloy of different thicknesses treated by two processes

綜上結(jié)果可以看出，中退試樣的Cube織構(gòu){100}<001>和H織構(gòu){100}<011>等再結(jié)晶織構(gòu)強(qiáng)度更高，且Cube織構(gòu)為再結(jié)晶織構(gòu)的主體，而B織構(gòu){110}<112>和Goss織構(gòu){110}<001>等軋制織構(gòu)的強(qiáng)度低于直軋?jiān)嚇?。這表明中間退火過(guò)程中的回復(fù)再結(jié)晶有效地減輕了軋制過(guò)程中的擇優(yōu)取向。

中間退火可以提高最終退火試樣中立方織構(gòu)的相對(duì)量[17]。這是由于中間退火后形成的立方取向晶粒在冷軋過(guò)程中并未全部旋轉(zhuǎn)至軋制方向，從而殘留了部分的立方取向晶粒[18]，在成品退火時(shí)立方取向亞晶的回復(fù)速度比其他取向的亞晶快，這就為立方織構(gòu)的形核提供了良好的條件。另外，立方體取向具有快速增長(zhǎng)的40°<111>取向關(guān)系，因此在隨后的長(zhǎng)大過(guò)程中比其他取向的晶粒長(zhǎng)大速度更快，所以最終形成了較多的立方織構(gòu)[19]，有利于改善板材的塑性。

3 結(jié)論

(1)中退試樣比相同厚度直軋?jiān)嚇拥那?qiáng)度低10 MPa左右，而直軋?jiān)嚇拥目估瓘?qiáng)度略高于中退試樣。中退試樣不同方向的斷后伸長(zhǎng)率差別不大，直軋?jiān)嚇拥能埾蚺c45°和90°方向的斷后伸長(zhǎng)率差值可達(dá)9%，具有明顯的各向異性。中退試樣的顯微硬度低于直軋?jiān)嚇印?.18 mm厚中退試樣的硬度為56.5 HV0.05，而直軋?jiān)嚇拥挠捕雀哌_(dá)61.2 HV0.05。隨著板材厚度的增加，硬度下降。

(2)中退試樣晶粒尺寸約40 μm，而直軋?jiān)嚇蛹s為22 μm。在室溫拉伸變形時(shí)，隨著變形量的增加，中退試樣晶粒沿最大切應(yīng)力方向呈明顯的流變特征，而直軋?jiān)嚇拥牧髯兲卣鞑幻黠@。中退試樣沿軋向具有較好的變形協(xié)調(diào)性，所以其軋向的斷后伸長(zhǎng)率明顯大于直軋?jiān)嚇樱鞌嗫陧g窩更發(fā)達(dá)、大小更均勻。

(3)中退試樣的Cube織構(gòu){100}<001>和H織構(gòu){100}<011>等再結(jié)晶織構(gòu)強(qiáng)度更高，且Cube織構(gòu)為再結(jié)晶織構(gòu)的主體，而B織構(gòu){110}<112>和Goss織構(gòu){110}<001>等軋制織構(gòu)的強(qiáng)度低于直軋?jiān)嚇印?/p>