平均道次壓下率對(duì)異步軋制-固溶6016鋁合金板材顯微組織的影響

林凌峰， 袁鴿成， 楊 濂， 丁燦培

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

異步軋制通過引入強(qiáng)剪切形變而達(dá)到改善板材微觀結(jié)構(gòu)并提高板材綜合性能的目的[1-4]；前期研究表明，采用大道次變形對(duì)材料進(jìn)行加工能明顯細(xì)化晶粒及改善性能，提高生產(chǎn)效率[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)異步軋制鋁合金的研究主要集中在異速比、累積變形量及軋制溫度等工藝對(duì)板材晶體取向、晶粒細(xì)化、力學(xué)性能的改善等方面[7-9]，對(duì)于累積變形量一定時(shí)不同道次壓下率對(duì)異步軋制板材微結(jié)構(gòu)演變行為的研究較少。最近，Amegadzie等[10]采用異步軋制研究了總變形量一定時(shí)單次變形程度對(duì)6061鋁合金軋制態(tài)微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響，但未對(duì)固溶后微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行研究。另一方面，車身用6×××系鋁合金板材軋制后一般還需進(jìn)行固溶處理來(lái)調(diào)控后續(xù)二次成形性能及成品烤漆硬化性能，晶粒、第二相與織構(gòu)都是影響材料二次成形性能的重要因素。道次變形程度的不同必將影響固溶處理時(shí)的再結(jié)晶行為，導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)及性能的變化?？墒牵裼嘘P(guān)平均道次壓下率對(duì)鋁合金板材異步軋制及固溶組織的影響在國(guó)內(nèi)外還少見報(bào)道，相關(guān)研究也主要集中在道次變形程度對(duì)晶粒及第二相的影響，對(duì)織構(gòu)的研究較少。因此，本文在對(duì)比研究不同道次數(shù)軋制條件下異步軋制板材固溶前后晶粒及第二相變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同道次壓下率對(duì)軋制鋁合金板材固溶前后織構(gòu)的演變，為異步軋制改善鋁合金板材微觀組織提供試驗(yàn)依據(jù)，并進(jìn)一步為后續(xù)提高其成形性能提供研究基礎(chǔ)。

圖1 不同平均道次壓下率軋制板材的OM圖(a～d)和SEM圖(e～h)Fig.1 OM(a-d) and SEM(e-h) images of the rolled sheet with different average pass reductions(a,e) 16%; (b,f) 27%; (c,g) 40%; (d,h) 55%

1 試驗(yàn)材料及方法

本研究選用6 mm厚的6016鋁合金熱軋坯料作為研究對(duì)象，其名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Al-0.8Mg-1.5Si。將坯料置于馬弗爐中450 ℃保溫30 min，將異步軋機(jī)軋輥加熱至相同溫度，在異速比1∶2的條件下，分別經(jīng)過9、5、3、2道次軋制成約1.2 mm厚的板材，總變形量為80%，平均道次壓下率分別為16%、27%、40%、55%，具體軋制工藝如表1所示。在軋制后的板材上切取待測(cè)試試樣，剩余軋制板在540 ℃固溶30 min，同樣切取固溶后試樣。金相試樣經(jīng)磨光、拋光后進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，使用MH42-BD偏光顯微鏡對(duì)陽(yáng)極覆膜后試樣進(jìn)行顯微組織觀察；采用Hitachi S-3400N型掃描電鏡觀察試樣中晶粒及第二相形貌與分布；透射試樣經(jīng)砂紙磨光，再利用雙噴減薄儀制得，隨后在

表1 異步軋制工藝

JEM-3010透射電鏡下觀察組織結(jié)構(gòu)；利用理學(xué)Y-2000全自動(dòng)X射線衍射儀對(duì)合金材料進(jìn)行宏觀織構(gòu)分析，并運(yùn)用織構(gòu)分析軟件Jtex計(jì)算織構(gòu)種類及含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 軋制板材晶粒及第二相

不同平均道次壓下率軋制板材的顯微組織如圖1所示。可以看出，經(jīng)不同道次壓下率異步軋制的板材晶粒都表現(xiàn)出沿著軋制方向呈帶狀分布的形貌特點(diǎn)。從SEM圖像中可知，第二相粒子沿軋制方向呈不連續(xù)鏈狀分布，隨著道次壓下率的增大，第二相粒子均勻分布在基體中，晶粒軋制態(tài)形貌特征越明顯。

2.2 軋制-固溶板材晶粒及第二相

圖2 不同平均道次壓下率軋制-固溶板材的OM(a～d)和SEM圖(e～h)Fig.2 OM(a-d) and SEM(e-h) images of the rolled-solution treated sheet with different average pass reductions(a,e) 16%; (b,f) 27%; (c,g) 40%; (d,h) 55%

圖3 不同平均道次壓下率軋制-固溶板材的晶粒尺寸分布Fig.3 Distribution of grain size of the rolled-solution treated sheet with different average pass reductions(a) 16%; (b) 27%; (c) 40%; (d) 55%

軋制態(tài)板材經(jīng)540 ℃固溶30 min后的微觀組織如圖2所示。由圖2(a～d)可知，板材經(jīng)固溶處理后都發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶，大部分晶粒等軸化明顯。采用OPTpro金相分析軟件計(jì)算軋制-固溶態(tài)板材晶粒尺寸分布，如圖3所示。平均道次壓下率16%、27%、40%、55%固溶態(tài)板材的平均晶粒尺寸分別為69.6、78.1、77.0、44.5 μm，基本呈現(xiàn)道次壓下率越大，固溶后晶粒尺寸越小的規(guī)律。進(jìn)一步采用SEM對(duì)固溶后微觀組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)仍存在少量未溶解粒子彌散分布在基體中，晶粒大部分都呈現(xiàn)出較好的等軸化。對(duì)軋制-固溶合金板材中未溶解第二相粒子進(jìn)行EDS分析，其中各主要元素的原子分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可知，固溶態(tài)板材中難溶粒子主要化學(xué)組成為Al、Fe和Si。EDS分析結(jié)果表明第二相粒子可能為AlFeSi雜質(zhì)相，而Mg2Si主要強(qiáng)化相均溶入基體中。隨著平均道次壓下率增大，異步軋制強(qiáng)剪切效應(yīng)增強(qiáng)，第二相破碎得更加充分，數(shù)量更多。同時(shí)由于道次壓下率增大，板材中形變儲(chǔ)能增加，后續(xù)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。因此，平均道次壓下率越大，板材再結(jié)晶更充分，板材固溶后再結(jié)晶晶粒更細(xì)小[11-12]。

采用TEM對(duì)固溶態(tài)板材中未溶雜質(zhì)相的尺寸及分布進(jìn)行進(jìn)一步觀察，如圖4所示。經(jīng)固溶處理后，板材中剩余的AlFeSi雜質(zhì)相以球狀為主，少部分呈短棒狀，而主要強(qiáng)化相Mg2Si則完全溶于基體中。所有道次壓下率板材中剩余第二相粒子尺寸均為0.3～0.5 μm，且粒子間距λ為2～5 μm。一般認(rèn)為，當(dāng)粒子尺寸d<0.3 μm，粒子間距λ<1 μm時(shí)，第二相粒子能有效阻礙晶界遷移和轉(zhuǎn)動(dòng)，起到抑制再結(jié)晶的作用[13]。而在本試驗(yàn)中，板材中的難溶第二相粒子經(jīng)過強(qiáng)剪切軋制后數(shù)量增多，反而會(huì)作為再結(jié)晶形核位點(diǎn)，起到了促進(jìn)再結(jié)晶的作用。當(dāng)?shù)来螇合侣蕿?5%時(shí)，板材在固溶過程中發(fā)生了充分的再結(jié)晶，難溶雜質(zhì)相粒子仍保留在晶界處，晶界完整而清晰。

表2 不同平均道次壓下率軋制-固溶板材中第二相粒子的 EDS分析(原子分?jǐn)?shù)，%)

2.3 軋制板材固溶前后織構(gòu)

不同平均道次壓下率軋制后板材在Φ2=0°、45°、65°上的ODF取向分布圖如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)不同道次壓下率異步軋制的板材，織構(gòu)類型均為Brass{011}<211>、Copper{112}<111>、S{123}<634>形變織構(gòu)，E{111}<110>、F{111}<112>、r-cube{001}<110>剪切織構(gòu)和Cube{011}<100>、Goss{011}<100>、P{011}<122>等再結(jié)晶織構(gòu)。形變織構(gòu)與再結(jié)晶織構(gòu)同時(shí)存在的現(xiàn)象是由于板材在450 ℃熱軋過程中，板材晶粒發(fā)生了回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致的。隨著道次壓下率增大，軋制態(tài)板材E、F及r-cube剪切織構(gòu)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其它織構(gòu)趨于隨機(jī)分布。相較于常規(guī)同步軋制，大道次壓下率異步軋制對(duì)板材剪切形變效果更強(qiáng)，使得材料更易形成剪切織構(gòu)[10]。與道次壓下率為55%的軋制板材相比，其他道次壓下率軋制的板材的形變織構(gòu)與再結(jié)晶織構(gòu)強(qiáng)度大幅下降，E、F、r-cube織構(gòu)為主要織構(gòu)類型，強(qiáng)度分別為2.34、2.98、9.72。在異步軋制中，道次壓下率越大，作用于板材上的剪切效應(yīng)越強(qiáng)，晶面越容易趨向于{111}面轉(zhuǎn)動(dòng)，{001}晶面取向也更容易從<100>向<110> 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成高強(qiáng)度的r-cube剪切織構(gòu)。

不同平均道次壓下率軋制板材固溶后的ODF取向分布圖見圖6。經(jīng)固溶后，板材組織發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，整體織構(gòu)取向密度發(fā)生弱化，以Cube織構(gòu)為主的再結(jié)晶織構(gòu)占主要織構(gòu)類型，剪切織構(gòu)強(qiáng)度在固溶后發(fā)生了一定程度的降低。Prangnell等指出[14]，在固溶過程中若發(fā)生連續(xù)再結(jié)晶，則可保留強(qiáng)剪切形變織構(gòu)并使其成為主要織構(gòu)類型。而Al-Mg-Si系鋁合金再結(jié)晶織構(gòu)一般受立方帶形核和PSN形核共同影響，彌散分布的第二相粒子在再結(jié)晶過程中作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)再結(jié)晶過程。由于固溶前后板材主要織構(gòu)組態(tài)發(fā)生了較大改變，可推測(cè)，試驗(yàn)板材在固溶中發(fā)生不連續(xù)再結(jié)晶，晶粒形核和長(zhǎng)大，大角度晶界遷移，導(dǎo)致了固溶后剪切織構(gòu)強(qiáng)度下降以及Cube再結(jié)晶織構(gòu)強(qiáng)度上升。同時(shí)，不連續(xù)再結(jié)晶過程中的大角度晶界遷移，促使板材組織發(fā)生較大程度的變化，組織由沿軋制方向分布的帶狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，與前述微觀組織部分所得結(jié)果相吻合。繼續(xù)增大道次壓下率至劇烈形變是否會(huì)使軋制后的第二相粒子破碎更充分，起到促進(jìn)連續(xù)再結(jié)晶的作用，進(jìn)而提高固溶態(tài)板材的剪切織構(gòu)強(qiáng)度并提高成形性能，有待進(jìn)一步研究。

圖4 不同平均道次壓下率軋制-固溶板材的TEM圖Fig.4 TEM images of the rolled-solution treated sheet with different average pass reductions(a) 16%; (b) 27%; (c) 40%; (d) 55%

圖5 不同平均道次壓下率軋制板材的ODF圖Fig.5 ODF images of the rolled sheet with different average pass reductions(a) 16%; (b) 27%; (c) 40%; (d) 55%

圖6 不同平均道次壓下率軋制-固溶板材的ODF圖Fig.6 ODF images of the rolled-solution treated sheet with different average pass reductions(a) 16%; (b) 27%; (c) 40%; (d) 55%

3 結(jié)論

1) 經(jīng)異步軋制后，6016鋁合金板材中晶粒沿著軋制方向呈現(xiàn)條帶狀組織特征。第二相粒子在強(qiáng)剪切軋制的作用下充分破碎，數(shù)量隨著道次壓下率增加而增加。經(jīng)固溶處理后，隨著平均道次壓下率增大，板材再結(jié)晶晶粒尺寸基本上呈減小趨勢(shì)。剩余難溶相粒子尺寸為0.3～0.5 μm，且粒子間距λ為2～5 μm。55%道次壓下率時(shí)固溶態(tài)板材平均晶粒尺寸為44.5 μm。

2) 經(jīng)異步軋制后，板材織構(gòu)類型均由Brass、Copper、S形變織構(gòu)，E、F、r-cube剪切織構(gòu)及Cube、Goss等再結(jié)晶織構(gòu)組成。隨著道次壓下率的增加，E、F和r-cube剪切織構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)。由于在固溶處理過程中發(fā)生不連續(xù)再結(jié)晶，固溶后板材主要織構(gòu)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，再結(jié)晶織構(gòu)強(qiáng)度上升，剪切織構(gòu)強(qiáng)度下降，但仍保留一定強(qiáng)度的剪切織構(gòu)。