6016鋁合金板材微觀組織對包邊性能的影響

劉晨光，王家毅，石憲柱，劉曉滕，遲 蕊，馬 鈺

(1.淄博德源金屬材料有限公司，山東 淄博 255000；2.山東南山鋁業(yè)股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心，山東 煙臺 265700)

6016鋁合金屬于Al-Mg-Si系，是可熱處理強化鋁合金，具有良好的成形性能、烘烤硬化性能和抗腐蝕能力等特點[1-4]，在汽車輕量化中被廣泛用作車身覆蓋件，尤其是用作車身外板[5-6]。包邊工藝是連接車身內外板的重要工序[7]，外板的包邊性能通常決定包邊產(chǎn)品的質量[8]。板材在包邊過程中會發(fā)生彎曲變形，伴隨著晶粒之間的相互擠壓變形，包邊性能較差的板材樣品則在包邊試驗過程中因彎曲變形導致樣品表面產(chǎn)生嚴重的橘皮、裂紋等現(xiàn)象。目前，各大用戶對包邊后產(chǎn)品表面質量要求較高(無裂紋、微裂紋與重橘皮現(xiàn)象)，因此，6016鋁合金板材在供貨有效期內必須保證有良好的包邊性能。

本文作者對某公司生產(chǎn)的1 mm厚6016鋁合金板材及包邊樣品進行組織形貌分析，通過金相顯微鏡、掃描電鏡及透射電鏡探究了微觀組織對樣品包邊性能的影響，并根據(jù)影響因素調整工藝后進行了生產(chǎn)驗證。

1 試驗材料及方法

試驗樣品為某公司送檢的6016鋁合金板材包邊性能較差的A樣品、包邊性能較好的B樣品以及補充C樣品。作為本試驗的補充C樣品，在包邊性能影響因素理論探究的基礎上，采取改進措施，并進行了實際生產(chǎn)驗證。具體改進措施為調整道次壓下量以及熱處理制度，道次壓下量的改變，能夠在細化板材晶粒的同時對合金中含鐵相等結晶相起到更大的破碎作用；熱處理制度的改變，能夠保證板材表層的再結晶程度不會過大而造成粗晶，并且適當?shù)臒崽幚矸绞侥軌蚩刂茦悠肪Ы鐝浬⑾辔龀?。C樣品是公司在A樣品與B樣品的生產(chǎn)工藝基礎上，采用上述措施設計新工藝生產(chǎn)的樣品。

樣品包邊試驗前后的形態(tài)如圖1所示。圖1a為未包邊樣品的形態(tài)，圖1b為包邊后樣品的形態(tài)?？紤]到相同包邊試驗條件下，A、B和C樣品包邊前后三者之間的宏觀形態(tài)相似，所以圖1給出的樣品代表A、B和C樣品包邊前后的形態(tài)。利用Axio Imager M2m蔡司光學顯微鏡對圖1a中樣品的表面、縱截面與橫截面及圖1b中虛線標示位置進行金相組織測試，并通過AxioVision軟件分別對樣品表面、縱截面和橫截面的晶粒尺寸進行計算；通過Nova NanoSEM 450場發(fā)射掃描電鏡與JEM-2100F透射電鏡對圖1a中樣品進行微觀組織測試。由于板材0°方向(軋制方向)的包邊性能比45°及90°方向的差[9]，所以本試驗主要對0°方向樣品包邊前后的微觀組織進行分析。

圖1 包邊件彎曲試驗前后樣品的形態(tài)

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織

圖2所示為包邊前A、B和C樣品的金相組織照片。通過軟件對各樣品的表面、縱截面和橫截面晶粒尺寸進行測試，結果如表1所示。由金相組織照片與晶粒數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可知，A樣品的平均晶粒尺寸大于B和C樣品的，且A樣品表層與心部晶粒尺寸差異明顯；B和C樣品表層及心部的晶粒尺寸均勻，且晶粒組織形態(tài)較A樣品的好。

由表1晶粒尺寸計算結果可知，調整工藝后所生產(chǎn)樣品C的表面、縱截面、橫截面平均晶粒尺寸與包邊性能較好樣品B的晶粒尺寸相近。由圖2可見，C樣品晶粒球形度高，且表面與截面的晶粒形態(tài)較為接近。

表1 A、B、C樣品的表面、縱截面和橫截面晶粒尺寸統(tǒng)計

圖3所示為A、B和C樣品包邊試驗后彎曲變形區(qū)域的金相組織。在圖3a中，A樣品包邊區(qū)域內側有裂紋出現(xiàn)，外側未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，但是外側表面形貌呈現(xiàn)凹凸不平，如標記區(qū)域所示，在宏觀上表現(xiàn)為橘皮現(xiàn)象，嚴重影響板材表面質量。B和C樣品包邊后未出現(xiàn)明顯裂紋，且表面光滑平整(圖3b、c)。A樣品出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于板材表層與心部晶粒尺寸差異較大，且晶粒之間球形度相差較大。導致樣品在包邊過程中大晶粒內部變形過大、大小晶粒之間協(xié)調變形能力差，且在不規(guī)則晶粒晶界處發(fā)生應變集中，使包邊后樣品表面出現(xiàn)凹凸不平及裂紋等現(xiàn)象。

板材晶粒尺寸與形態(tài)對包邊性能有著直接影響。板材晶粒細小均勻，晶界面積增加，晶界上偏析產(chǎn)生的夾雜物相對較少，界面結合力提高，塑性增加；板材表面與心部晶粒尺寸大小接近，良好的組織均勻性以及晶粒的高球形度能夠使樣品塑性變形均勻，減小了變形過程中的應力集中程度，不易引起微裂紋。C樣品為調整軋制道次壓下量與熱處理制度工藝生產(chǎn)的樣品。從圖2中B與C樣品表縱、橫截面金相照片可以見，兩者晶粒組織特征較為相似，二者晶粒尺寸均較A樣品的小，且表層與心部晶粒尺寸大小接近，均勻性較好。C樣品無明顯裂紋，且表面光滑平整(如圖3c所示)，也證明了C樣品包邊性能較好。

圖2 A、B和C樣品包邊前的表面、縱截面與橫截面金相組織照片

圖3 A、B和C樣品包邊后彎曲變形區(qū)域金相照片

通過對板材晶粒組織分析發(fā)現(xiàn)，C樣品保持了與包邊較好的B樣品相似的晶粒組織特征，且C樣品包邊性能同樣較好。因此，C樣品表明了板材在表面、縱截面和橫截面具有良好的晶粒組織均勻性、且晶粒尺寸小(小于30 μm)的特點，有利于改善包邊性能。

2.2 微觀組織

圖4所示為包邊效果較差的A樣品彎曲變形處的SEM圖像。從圖4b、c中可以清楚地看出有代表性的裂紋擴展路徑及開裂情況，在裂紋附近觀察到有粗滑移帶。這是由于樣品在包邊過程中晶粒間的相對運動產(chǎn)生高度變化和表面凹凸不平導致的。此外，還觀察到這種晶粒的相對運動會使得一些相鄰晶粒垂直于表面移動(即超出表面運動)，這種表面晶粒間的相對運動引起晶界脫粘，進而會形成晶間裂紋?；坡窂降姆较蛟谙噜従Я仁遣煌?，這與局部的晶體取向差異相關。值得注意的是，裂紋表面由細小的韌窩組成，這是由于應變在弱晶界區(qū)域中局部化而形成的。對圖4c中的相(箭頭標記)進行能譜分析，結果表明該相為富鐵相，如圖4d所示。上述韌窩的存在表明，非均勻形核晶界顆粒，導致微孔洞的形成、長大和合并，最終發(fā)生斷裂，這種斷裂行為稱為晶界韌性斷裂，與若干相互競爭或關聯(lián)的機制有關：①異質成核晶界顆粒的存在；②晶界無析出帶的形成；③晶粒內粗滑移帶的分布導致應力集中沿著已弱化的晶界發(fā)生。

圖4 A樣品包邊試驗彎曲變形區(qū)域SEM圖像

圖5為未包邊的A、B與C樣品的微觀組織圖像，在圖5a、b、c的SEM圖像中有標記位置的EDS分析示于圖5d、e、f。由圖5可知，長條狀的相為含鐵相(AlFeMnSi)。A、B與C樣品拍攝大量SEM照片后，對三種板材中的含鐵相平均尺寸進行了統(tǒng)計，分別為4.19 μm、2.69 μm與2.60 μm，包邊效果較好的B和C樣品中結晶相尺寸明顯小于A樣品的。第二相粒子尺寸越大，產(chǎn)生裂紋的可能性就越高[10-11]。基于此，分析第二相導致包邊開裂的機制如圖6所示。在圖6a中可以看到含鐵相及附近的空洞。在包邊過程中，隨著彎曲角度逐漸增加，高含鐵顆粒處的空洞逐漸擴展變大，如圖6b所示。由于在軋制過程中，板材尺寸由厚到薄，含鐵相被破碎后其尺寸也由大到小變化。小尺寸含鐵相及附近空洞在軋制過程中逐漸被基體包裹與填充，而大尺寸含鐵相斷裂后附近空洞不易被基體包裹填充，所以軋制結束后大尺寸含鐵相附近出現(xiàn)空洞的概率也就變大，更易導致板材在彎曲變形時局部裂紋的發(fā)展，從而使樣品包邊性能及表面不好。

圖6 含鐵相附近空洞在板材彎曲變形中的擴展機制

由圖5c可以發(fā)現(xiàn)，C樣品中含鐵相尺寸與包邊性能較好的B樣品的接近。對C樣品拍攝大量SEM組織照片后未發(fā)現(xiàn)明顯大尺寸含鐵相及含鐵相附近的空洞。在板材彎曲變形過程中大尺寸含鐵相附近的空洞引起裂紋的可能性變大，并且不規(guī)則大尺寸含鐵相對組織有割裂作用。C樣品具有較好的包邊性能，同時微觀組織中含鐵相尺寸小且分布均勻，所以，C樣品的SEM微觀組織測試驗證了控制合金中含鐵相尺寸對改善板材包邊性能是有益的。

圖5 A、B與C樣品的SEM微觀組織

圖7所示為A、B和C樣品的TEM照片。一般來說，6×××鋁合金由于合金化程度較低，晶界和晶內的彌散相析出較少。晶界是界面區(qū)，晶粒內部與晶界之間存在強度差異，板材彎曲變形過程中，干凈的晶界不易造成應力集中，所以晶界附近彌散相析出少有助于強化晶界、改善包邊性能。根據(jù)大量TEM照片統(tǒng)計可知，B和C樣品中晶界附近彌散相析出明顯少于A樣品的，圖7示出有代表性的照片。此外，在一部分A樣品晶界處發(fā)現(xiàn)了尺度小于1 μm的彌散相，分析此類連續(xù)析出的彌散相可能是Mg2Si顆粒，其產(chǎn)生時間貫穿熱軋、卷取和固溶冷卻階段，該相的沿晶析出對6×××鋁合金的成形和包邊性能有弱化作用。

由圖7c可知，C樣品的TEM微觀組織中未發(fā)現(xiàn)晶界及其附近有明顯彌散相析出，這與包邊性能較好的B樣品的TEM組織特征相似。雖然TEM組織分析對于大批板材來說不具有完全的代表性，但是通過對包邊性能較好的B樣品與C樣品進行大量的TEM測試分析后發(fā)現(xiàn)，C與B樣品較包邊性能較差的A樣品有著更加干凈的晶界。C樣品證明了干凈的晶界有利于改善包邊性能。

圖7 A、B與C樣品的TEM微觀組織圖像

3 結 論

通過對6016鋁合金板材組織分析，探究了晶粒尺寸與組織均勻性、含鐵相尺寸以及晶界彌散相對板材包邊性能的影響，并且通過對補充C樣品的測試分析進一步驗證了三種影響因素的確定性，得出以下結論：

1)當6016鋁合金板材表面、縱截面及橫截面的晶粒組織均勻、細小時，有利于提高樣品包邊試驗彎曲變形過程中晶粒之間的協(xié)調性，避免包邊樣品表面出現(xiàn)凹凸不平的橘皮現(xiàn)象及因應力集中而引起的裂紋擴展。

2)合金中大尺寸含鐵相及附近的空洞在樣品彎曲變形過程中容易造成空洞擴張，并可能產(chǎn)生裂紋增殖。適當控制含鐵相尺寸，有助于減少成品板材中含鐵相附近殘存的空洞。

3)板材內部晶界析出的彌散相不利于彎曲過程中應力傳遞，確保晶界及晶界附近干凈無彌散相析出則有利于提高板材的包邊性能。