退火對5B02鋁合金管材織構(gòu)的影響

劉濟南,王 磊,萬 剛,武保林,于 浩

(1.沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136;2.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)( 集團) 有限公司 制造工程部，沈陽 110034)

金屬及其合金在形變與隨后的退火中常常形成織構(gòu)，特別是軋制、擠壓、拉拔過程產(chǎn)生的織構(gòu)，對后續(xù)加工帶來非常大的影響[1-4]。對織構(gòu)進行深入的研究，掌握織構(gòu)、成份、工藝參數(shù)、性能間的關(guān)系規(guī)律，將織構(gòu)理論及控制手段應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，從而達(dá)到加工性能指標(biāo)的優(yōu)化，對于發(fā)揮材料性能潛力，促進材料的應(yīng)用具有重要的理論與實際意義。

5B02鋁合金為5000系防銹鋁合金，與俄羅斯AM-2鋁合金成份相當(dāng)。然而對于該材料制備加工的管材，在擴孔加工中出現(xiàn)“橘皮”甚至斷裂現(xiàn)象。之所以產(chǎn)生上述現(xiàn)象，其原因為管材在擠壓、拉拔加工過程中產(chǎn)生的織構(gòu)導(dǎo)致塑性變形不均勻及塑性下降。因此，針對5B02鋁合金，研究其織構(gòu)與塑性變形不均勻性之間的關(guān)系，尋找有效的控制手段，從而應(yīng)用于該合金管材制備加工中，對于該材料的國產(chǎn)化應(yīng)用具有緊迫的現(xiàn)實意義。

1 實驗方法

本實驗采用中航工業(yè)生產(chǎn)管材5B02鋁合金，初始尺寸為φ36 mm×1.5 mm(壁厚)。組成成分如表1所示：

表1 5B02管材組成成分

將未經(jīng)退火的5B02管材做展平處理后，用線切割切取10 mm×10 mm的方片以及符合國家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣。參照標(biāo)準(zhǔn)牌號5A02成熟退火工藝[5]，以及實際工業(yè)生產(chǎn)條件要求，擬定退火工藝為：330 ℃-1h、330 ℃-2h、380 ℃-1h、380 ℃-2h、400 ℃-1h、400 ℃-2h，將原始管材和已完成熱處理的試樣進行拉伸實驗，以及磨光表面后在DX-2000型衍射儀上進行XRD掃描，并繪制ODF圖。

2 5B02管材性能分析

2.1 力學(xué)性能對比

其抗拉強度符合鋁合金手冊中規(guī)定的強度。從表2我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過退火之后的5B02管材的抗拉強度與斷裂強度都有明顯的下降，延伸率明顯提升，其中以380 ℃、2小時退火時合金可以獲得最好的塑性變形能力，這與其內(nèi)部織構(gòu)的變化密切相關(guān)。面心立方金屬中，雖然存在較多的滑移系，但是，當(dāng)某些滑移系其取向處于一種硬取向狀態(tài)時，該滑移系就很難啟動。而5B02鋁合金中存在的較強立方織構(gòu)、Goss織構(gòu)以及面織構(gòu)或者其他銳織構(gòu)時，在變形過程中某些滑移系就很可能位于硬取向，導(dǎo)致合金變形變得較為困難，塑性變形能力變差。更為重要的是，當(dāng)合金內(nèi)部晶粒存在強烈織構(gòu)時，合金在塑性變形過程中就很可能發(fā)生力學(xué)性能的各向異性，導(dǎo)致合金變形不均勻，例如拉拔時出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象，沖壓時出現(xiàn)織耳現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至使材料發(fā)生過早斷裂，嚴(yán)重影響材料的實際加工生產(chǎn)及應(yīng)用。

表2 5B02管材拉伸數(shù)據(jù)

2.2 織構(gòu)分析

由圖1(a)可以看出，未經(jīng)退火處理的5B02管材的織構(gòu)組分為包括Goss組分({110}<001>;ψ=0°;θ=90°;φ=45°)的{110}面織構(gòu)，其強度級別最大為5級。對比分析圖1(b)～圖1 (g)的測量結(jié)果可知，除了380 ℃、2小時退火工藝外，其余所有退火工藝下合金內(nèi)部都存在立方織構(gòu)或Goss織構(gòu)或黃銅R型織構(gòu)或銅織構(gòu)以及相當(dāng)強的面織構(gòu)。其中立方織構(gòu)和面織構(gòu)的強度都為3-5級。[6]相比其他退火條件而言，380 ℃、2小時退火時合金內(nèi)部織構(gòu)最為漫散，尤其是原始管材中較銳的立方織構(gòu)和Goss織構(gòu)幾乎消失，而面織構(gòu)也變?nèi)?，最大級?shù)也降低到2。說明該退火條件對5B02鋁合金改善晶粒集中取向非常有利，顯著減弱了合金變形過程中力學(xué)性能及變形的各向異性[7]，對合金的變形能力及成型性都更為有利。

由于管材樣品的切取進行了平整處理，因此其織構(gòu)的分析與軋制板材的織構(gòu)分析有一些差異。對于測試樣品，R向代表的是管材的擠壓拉拔方向，而T向代表的是管材測試面圓周的切向。

圖1 5B02鋁合金織構(gòu)ODF恒ψ截面圖

2.3 顯微組織觀察

圖2為5B02管材的金相組織。與標(biāo)準(zhǔn)金相圖譜對比分析可知，其組織為Al固溶體上分布均勻細(xì)小的Al-Mg沉淀相，為典型的5000系鋁合金的組織。由于管材制備工藝熱擠壓拉拔，在變形過程中發(fā)生動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，鋁合金再結(jié)晶晶粒組織很難侵蝕顯示，因此從上面金相照片中我們還無法判斷管材晶粒的大小。然而，晶粒的尺寸卻對合金的塑性變形能力具有重要的影響。晶粒組織越細(xì)，合金越會表現(xiàn)出良好的塑性和成型能力；而晶粒粗大則會導(dǎo)致材料塑性的下降與成型能力的降低。

圖2 5B02管材的金相組織

金屬的塑性變形具有以下3方面的特性，其一，金屬塑性變形具有不均勻性；其二，金屬塑性變形具有不同時性；其三，金屬塑性變形過程中體積保持不變。金屬塑性變形的不均勻性是指在微觀范圍，由于晶粒的取向不同，在變形時其取向因子不同，因此各區(qū)域的變形程度不同，雖然一般情況下在宏觀范圍內(nèi)無法判別這種不均勻性。正是由于各晶粒取向因子的差別，從而也導(dǎo)致金屬變形不均勻。FCC金屬合金的塑性變形機制主要是位錯的滑移，位錯的滑移一般很難通過高角晶界，因此位錯的滑移以晶粒區(qū)域為限，為保持體積不變，各晶粒之間的形狀保持協(xié)調(diào)。[8]由于位錯滑移在晶粒尺寸范圍內(nèi)的限制，若將金屬變形后會形成與晶粒尺寸大小相對應(yīng)的微變形區(qū)域，若將金屬表面進行拋光后變形，可以觀察到這種區(qū)域的形貌及在各個晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的滑移帶。

2.4 拉伸后管材表面形貌

圖3為5B02鋁合金拉伸試樣變形后從宏觀均勻變形部位到斷口各部委的變形形貌。在FCC金屬及其合金中，位錯滑移沿著{111}面和<110>晶向進行[9]，在塑性變形時，與最大切應(yīng)力分量平行的滑移系最先開動[10]。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)退火5B02管材的試樣表面出現(xiàn)大量的滑移帶，雖然滑移帶較多，但是分布并不均勻，而且方向較為單一大多與試樣拉伸方向呈45°或接近45°，當(dāng)拉力與滑移面法線的夾角為45°時，此滑移系上的分切應(yīng)力最大。但由于拉伸變形時晶面的轉(zhuǎn)動將使Φ值增大，分切應(yīng)力逐漸減小，此滑移系的滑移就會趨于困難。多晶體材料在發(fā)生塑性變形時，Schmid因子大的晶粒最先變形，滑移線為45°時晶粒的取向因子最大，若取向因子較小，不利于晶粒的變形甚至不發(fā)生變形，造成變形的微觀不均勻，如圖3(a)中有些區(qū)域甚至沒有出現(xiàn)位錯滑移。隨著變形程度的增加，晶粒形狀也逐步發(fā)生變化，大多數(shù)晶粒沿變形方向伸長，伴隨著晶粒尺寸的增大，這種不均勻性更加明顯。在靠近斷口方向,滑移線變的更為密集，導(dǎo)致開始出現(xiàn)裂紋，塑性變形能力降低[11]。

圖3 未經(jīng)退火5B02鋁合金拉伸試樣均勻變形部位變形形貌

圖4 不同退火條件下管材拉伸后均勻變形靠近斷口處表面形貌

從圖4 (a)～ 圖4 (f)中5B02合金管材不同退火條件下的拉伸表面形貌可以看出，除了380 ℃、2小時退火工藝外，其余5組樣品拉伸表面形貌中滑移痕跡都呈現(xiàn)明顯方向集中特點，這從另一方面證實了這幾組5B02合金管材在相應(yīng)退火過程中織構(gòu)取向較銳，導(dǎo)致在隨后塑性變形過程中可啟動的滑移系數(shù)量較少，最后導(dǎo)致合金管材的塑性變形能力較差。然而380 ℃、2小時退火工藝下的5B02合金管材拉伸表面形貌中滑移痕跡方向較為雜亂，滑移痕跡分布也較為彌散，說明此條件下合金管材中織構(gòu)取向有利于更多的滑移系啟動，更多的滑移參與到合金的宏觀塑性變形中，使合金獲得更好的塑性變形能力。

圖5 不同條件退火后鋁合金拉伸斷口附近形貌

從上述6組5B02合金管材拉伸斷口附近的形貌分析中可以發(fā)現(xiàn)，380 ℃、2小時退火后合金管材中晶粒相對較細(xì)小，斷口處滑移痕跡呈現(xiàn)方向較為雜亂，發(fā)生滑移的晶粒數(shù)量遠(yuǎn)多于其他5組退火樣品。

3 結(jié)論

(1)從織構(gòu)測量與拉伸表面形貌分析以及力學(xué)性能可以看出：未經(jīng)退火的5B02管材中存在明顯的GOSS織構(gòu)，對其塑性變形的能力產(chǎn)生影響。

(2)通過對6組不同退火條件的5B02合金織構(gòu)、拉伸力學(xué)性能以及拉伸后的表面形貌的測試分析表明：在380 ℃、2小時的退火工藝下可以顯著降低合金中晶粒的織構(gòu)強度，尤其是立方織構(gòu)及Goss織構(gòu)的強度明顯降低；在塑性變形時，參與滑移的晶粒數(shù)有較明顯的提升，從而提高了管材的塑性變形的均勻性。

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