熱處理對(duì)ARB1060純鋁組織與性能的影響

金振芳

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 前言

累積疊軋焊方法（Accumulative Roll Bonding，ARB）[1]是上世紀(jì)90年代末日本國(guó)立大阪大學(xué)學(xué)者Tsuji Nobuhiro教授發(fā)明的一種用于制備金屬板材超細(xì)晶復(fù)合材料的新方法。目前，國(guó)外針對(duì)IF鋼、6061鋁合金、8011鋁合金等同種材料進(jìn)行了累積復(fù)合軋制的研究，并取得了一定的成果[2-4]。其中對(duì)低碳鋼（IF鋼板）進(jìn)行多道次ARB軋制研究，得到了270 nm左右的超細(xì)晶粒，屈服強(qiáng)度從306 MPa提高到870 MPa左右[2]；在鋁及鋁合金方面，晶粒尺寸最小達(dá)到320 nm，屈服強(qiáng)度從90 MPa提高到220 MPa左右[5]。國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)氧銅、1060鋁、IF鋼[5-7]等同種材料的累積軋制。在眾多劇烈塑性變形方法之中，累積疊軋技術(shù)是最有望實(shí)現(xiàn)SPD[8]的工業(yè)化生產(chǎn)，也是唯一可用于加工生產(chǎn)連續(xù)大塊薄板類超細(xì)晶材料的方法，這對(duì)于超細(xì)晶材料在日后的工業(yè)應(yīng)用上具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

超細(xì)晶材料具有較好的綜合性能，但是其晶粒的熱穩(wěn)定性決定了其工作環(huán)境。因此，對(duì)超細(xì)晶材料熱穩(wěn)定性的研究是超細(xì)晶材料在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的前提之一。

本文在室溫下對(duì)1060純鋁進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，并對(duì)ARB 5道次后的試樣進(jìn)行熱處理加工，分析熱處理對(duì)1060純鋁力學(xué)組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選用材料是1060工業(yè)純鋁，化學(xué)成分含Al99.6%，F(xiàn)e、Si、Cu總量不大于0.4%。實(shí)驗(yàn)前先將純鋁在400℃下經(jīng)過(guò)60 min的退火處理，然后制備出規(guī)格尺寸為1.8 mm×100 mm×300 mm的純鋁板材。

材料經(jīng)表面處理后，疊合并固定在一起，于室溫條件下進(jìn)行軋制，控制軋制每道次的壓下量為50%。軋制后用剪板機(jī)將試樣均勻剪斷，重復(fù)上面的過(guò)程，共進(jìn)行了8個(gè)道次試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證軋輥處于干摩擦狀態(tài)。

對(duì)經(jīng)ARB 5道次的1060工業(yè)純鋁進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)試樣微觀組織及力學(xué)性能隨溫度變換的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 1060工業(yè)純鋁ARB 5道次熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用JEM-200CX透射電鏡觀察經(jīng)ARB塑性變形后試樣內(nèi)部微觀組織發(fā)生的變化。晶粒尺寸在電鏡照片上采用線截距法測(cè)定；采用WDW100-10 t電子拉伸機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行常溫拉伸實(shí)驗(yàn)，研究其拉伸性能的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 室溫軋制分析

圖1為室溫下累積疊軋1060工業(yè)純鋁各道次的拉伸性能曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)劇烈塑性變形而發(fā)生強(qiáng)烈硬化的材料并沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象，7道次的抗拉強(qiáng)度值最大為220 MPa，從2至8道次曲線來(lái)看，抗拉強(qiáng)度平緩增加，延伸率變化不大，經(jīng)過(guò)塑性加工后，5道次的延伸率最好。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能為：隨著道次的增加，加工硬化和細(xì)晶強(qiáng)化導(dǎo)致強(qiáng)度提高，但塑性由于加工硬化1道次后急劇下降，在隨后的軋制中，在加工硬化和細(xì)晶強(qiáng)化的共同作用下延伸率基本保持不變。抗拉強(qiáng)度、延伸率和道次三者之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 抗拉強(qiáng)度、延伸率與道次的關(guān)系

從圖1中更能直觀了解各道次的力學(xué)性能。原始母材的抗拉強(qiáng)度為87 MPa，1道次后強(qiáng)度的變化增幅最大，提高了60 MPa，而延伸率卻急劇下降，由變形前的46.03%下降到6.42%；經(jīng)第2道次軋制后，抗拉強(qiáng)度平穩(wěn)上升，延伸率變化穩(wěn)定；在第7道次后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值220 MPa，約是母材的2.5倍，延伸率為7.78%。這說(shuō)明材料通過(guò)ARB變形后，1道次的加工硬化明顯，強(qiáng)度增幅最大，但塑性急劇下降。在隨后的軋制過(guò)程中抗拉強(qiáng)度平穩(wěn)上升，延伸率基本保持不變。從抗拉強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)上來(lái)看，5道次的力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度為210 MPa，延伸率9.3%。

2.1.2 熱處理后力學(xué)性能分析

選用綜合力學(xué)性能較好的ARB 5道次試樣，分析不同溫度相同時(shí)間下熱處理后其拉伸性能隨溫度的變化情況。

圖3是ARB 5道次后材料在100～400℃下保溫1 h熱處理后的力學(xué)性能曲線圖。從圖中可見(jiàn)，材料抗拉強(qiáng)度的變化分三個(gè)階段：（1）在150℃以下時(shí)，強(qiáng)度穩(wěn)定，基本保持在220 MPa；（2）在150～300℃內(nèi)很快由222 MPa下降到111 MPa；（3）在300℃以上時(shí)，材料強(qiáng)度變化較小，在400℃時(shí)下降到99 MPa。材料的延伸率變化與強(qiáng)度變化相對(duì)應(yīng)，即在200℃以下時(shí)，延伸率變化平緩，波動(dòng)幅度約為6%；在200～350℃之間時(shí)，延伸率迅速回升，由6%上升到36%；之后變化又趨于平緩。這說(shuō)明ARB 5道次后的超細(xì)晶材料在200℃以下熱處理時(shí)，材料處于回復(fù)階段，基體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)變化不大，內(nèi)應(yīng)力降低，機(jī)械性能變化平緩。在200℃以上熱處理時(shí)，材料發(fā)生了再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒所占比例迅速增加，組織結(jié)構(gòu)由變形組織轉(zhuǎn)化為再結(jié)晶組織，強(qiáng)度顯著下降，塑性提高。隨著溫度的升高，晶粒尺寸繼續(xù)長(zhǎng)大，機(jī)械性能開(kāi)始恢復(fù)，但由于沒(méi)有恢復(fù)到軋制前的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率未能恢復(fù)到軋制前的數(shù)值。

圖3 ARB 5道次后力學(xué)性能與熱處理溫度的關(guān)系

2.2 微觀組織對(duì)比變化分析

圖4 ARB 5道次在100～400℃×1 h條件下熱處理后的TEM形貌相

圖4 是1060工業(yè)純鋁室溫ARB 0道次、5道次及ARB 5道次后的試樣在100～400℃下保溫1 h熱處理后的TEM圖像。由圖4（c）、（d）、（f）可見(jiàn)，在200℃下，材料的組織結(jié)構(gòu)與室溫軋制后相比沒(méi)有明顯的變化，晶界附近存在不清晰的邊界和消光條紋，表明組織處于回復(fù)階段，晶粒形態(tài)未發(fā)生變化，亞晶內(nèi)位錯(cuò)向亞晶界遷移，亞晶和超細(xì)晶粒有所長(zhǎng)大，晶粒尺寸由0.47μm緩慢長(zhǎng)大到0.58μm。在250℃熱處理時(shí)，組織內(nèi)的位錯(cuò)胞減少，晶界開(kāi)始變得清晰，再結(jié)晶晶粒和細(xì)小的未再結(jié)晶晶粒、亞晶同時(shí)存在，再結(jié)晶晶粒內(nèi)的位錯(cuò)密度明顯少于未再結(jié)晶晶粒（見(jiàn)圖4（f））。在300℃以上熱處理時(shí)，晶界清晰可見(jiàn)，晶粒明顯長(zhǎng)大，晶粒內(nèi)還存在少量位錯(cuò)。隨著溫度的升高，材料內(nèi)主要以再結(jié)晶組織為主，在400℃熱處理后，晶粒的平均尺寸超過(guò)20μm（見(jiàn)圖4（h））。表明由ARB方法制備的1060工業(yè)純鋁超細(xì)晶材料組織在200℃以下具有一定的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）ARB 5道次后材料的綜合力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度210 MPa，延伸率9.3%。

（2）ARB 5道次熱處理結(jié)果表明，溫度低于200℃時(shí)，加工硬化作用基本保留，材料的拉伸性能比較穩(wěn)定，變化緩慢。

（3）ARB 5道次后試樣的累積等效應(yīng)變?yōu)?.0，在200℃以下保溫1 h的熱處理?xiàng)l件下，晶粒長(zhǎng)大緩慢，晶粒的平均尺寸約為0.58μm，顯微組織處于回復(fù)階段，超細(xì)晶材料組織和性能具有良好的穩(wěn)定性。