中間退火對汽車用5182鋁合金板組織和性能的影響

王　宇，曹零勇，3，李俊鵬，張　華，郭富安

(1 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(shù)研究中心，山東 龍口 265713；2北京南山航空材料研究院，北京 100048；3 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

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中間退火對汽車用5182鋁合金板組織和性能的影響

王宇1,2，曹零勇1,2，3，李俊鵬1,2，張華1，郭富安1,2

(1 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(shù)研究中心，山東 龍口 265713；2北京南山航空材料研究院，北京 100048；3 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等測試分析手段，研究中間退火對5182鋁合金完全退火態(tài)(5182-O)板材組織和性能的影響。結(jié)果表明：與未經(jīng)中間退火的5182-O板材相比，中間退火后的5182-O板材晶粒尺寸過于細(xì)小，金屬間化合物破碎不充分、尺寸大，彌散析出相數(shù)量少；屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、加工硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比厚向各向異性降低，塑性應(yīng)變比平面各向異性增大；板材的組織、力學(xué)性能和成形性能未獲得有效改善和提高。

中間退火；鋁合金；顯微組織；力學(xué)性能；成形性能

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，汽車制造商面臨著節(jié)能減排的重大課題。汽車輕量化是解決這一難題的有效途徑，選擇使用輕量化材料是獲得車身減重的重要手段。輕質(zhì)、高強(qiáng)、可焊接的鋁合金經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已成功應(yīng)用于汽車的車身、底盤、懸掛件等零部件的生產(chǎn)制造[1,2]。其中，5182鋁合金具有強(qiáng)度、塑性和成形性能的完美結(jié)合，是輕量化汽車車身內(nèi)板的首選材料，已廣泛應(yīng)用于日本、歐美等汽車品牌[3-5]。

汽車車身內(nèi)板采用沖壓工藝成形，要求板材具備良好的塑性變形能力和加工硬化能力，以保證部件成形并具備較高的強(qiáng)度。5182鋁合金是不可熱處理強(qiáng)化合金，組織的調(diào)控和性能的改善主要受控于生產(chǎn)過程的加工環(huán)節(jié)。大量的研究工作[6-9]揭示了均勻化退火、熱軋、冷軋、完全退火等工藝環(huán)節(jié)對5182鋁合金組織和性能的影響，而對中間退火熱處理的研究見諸報(bào)道的較少，且觀點(diǎn)不一致。高家誠等[10]指出中間退火對5182鋁合金帶材的強(qiáng)度和塑性有重要影響，降低中間退火的溫度可以提高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，伸長率小幅升高；而Liu等[11]的工作表明中間退火沒有改善合金的力學(xué)性能和成形性能；因此，本工作將通過比較經(jīng)中間退火和未經(jīng)中間退火的兩種5182鋁合金板材在完全退火態(tài)下的顯微組織、力學(xué)性能和成形性能，旨在闡明中間退火工藝的作用和影響，為開發(fā)性能更加優(yōu)良的5182汽車用鋁合金提供依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料是由國內(nèi)某生產(chǎn)廠家提供的5182鋁合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Si≤0.12, Fe≤0.30, Cu≤0.1, Mn 0.42, Mg 4.7, Cr≤0.05, Zn≤0.05, Ti≤0.04, Al余量，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1　5182鋁合金板材生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1　Process flow diagram of 5182 aluminum alloy sheet

實(shí)驗(yàn)樣品取自上述板材的中間過程和成品。CO1為經(jīng)中間退火后再完全退火的板材，CO2為未經(jīng)中間退火經(jīng)完全退火的板材。金相顯微組織觀察用樣品取自于平行軋制方向的側(cè)面，經(jīng)打磨、拋光后在4.5%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的HBF4溶液中陽極氧化1min或在0.5%HF溶液中浸蝕30s，采用ZEISS Imager·M2m型光學(xué)顯微鏡分別觀察顯微組織和析出相；采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金屬間化合物，工作電壓為20kV，并利用Image-Pro Plus圖像處理軟件和Minitab統(tǒng)計(jì)分析軟件統(tǒng)計(jì)化合物的數(shù)量和尺寸；拉伸實(shí)驗(yàn)在WDW-100B型萬能試驗(yàn)機(jī)上完成。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1組織分析

2.1.1顯微組織

圖2所示為5182鋁合金板材在不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)的金相顯微組織。圖2(a)所示為熱軋板坯的顯微組織，由于終軋溫度控制在350℃左右，板坯在打卷后發(fā)生自退火，顯微組織呈現(xiàn)為再結(jié)晶組織。圖2(b)所示為2.5mm厚冷軋板坯的顯微組織，呈現(xiàn)拉長的纖維狀，是典型的變形組織。冷軋板坯經(jīng)過320℃/2h中間退火熱處理后，纖維狀變形組織被近似等軸的再結(jié)晶組織所替代，如圖2(c)所示。

圖3所示為CO1和CO2板材的金相顯微組織。由圖3可見，兩種板材在退火后均發(fā)生了充分再結(jié)晶，晶粒細(xì)小均勻且近似等軸；但二者的晶粒大小存在差別，采用截點(diǎn)法對每種板材的5個(gè)視場進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算出CO1板晶粒的平均截距為12μm，而CO2板的平均截距為14μm。

2.1.2金屬間化合物

金屬間化合物的SEM照片如圖4所示。對比圖4(a)和圖4(b)，發(fā)現(xiàn)CO1板顯微組織中存在部分未能完全破碎而被保留下來的粗大金屬間化合物，尺寸為10～15μm；CO2板顯微組織中的化合物破碎較為徹底，絕大多數(shù)尺寸小于3μm，僅有少量顆粒的尺寸在3～10μm之間。為定量比較兩種板材中粗大金屬間化合物尺寸的差異，利用Minitab軟件統(tǒng)計(jì)分析了尺寸大于3μm的化合物粒子并繪制粒子尺寸的分布圖和擬合曲線，如圖5所示。由圖5可見，在計(jì)數(shù)范圍內(nèi)，兩種板材顯微組織中的化合物尺寸均呈現(xiàn)高斯分布，但CO2板中化合物的平均尺寸較小、分布較為集中，而CO1板中的化合物平均尺寸較大、分布較為離散。

圖3　CO1(a)和CO2(b)的金相顯微組織Fig.3　Microstructures of samples CO1 (a) and CO2 (b)

圖4　CO1(a)和CO2(b)完全退火組織中的金屬間化合物SEM照片F(xiàn)ig.4　SEM images of intermetallic compounds of samples CO1 (a) and CO2 (b) in microstructures as full annealed state

圖5　金屬間化合物尺寸分布　(a)直方圖；(b)擬合圖Fig.5　Length distribution of intermetallic compounds　(a)histogram;(b)fitting figure

2.1.3彌散析出相

圖6所示為光學(xué)顯微鏡下觀察到的CO1和CO2板完全退火組織中析出相的形貌、尺寸、數(shù)量及分布。對比圖6(a),(b)，發(fā)現(xiàn)兩種組織中析出相的形貌和尺寸較為相似且都均勻彌散地分布于基體中，但在數(shù)量上存在顯著差別，CO2板析出相的密度明顯高于CO1板，電阻率測試結(jié)果顯示CO2板為31.51Ω·mm2·m-1，CO1板為33.04Ω·mm2·m-1，表明CO2板的固溶度低于CO1板，與圖6所示結(jié)果相吻合。

圖6　CO1(a)和CO2(b)完全退火組織中的彌散析出相Fig.6　Dispersoids of samples CO1 (a) and CO2 (b) in microstructures as full annealed state

2.2拉伸力學(xué)性能

CO1板和CO2板在室溫下的拉伸力學(xué)性能如圖7所示。由圖7可見，CO1板和CO2板在0°，45°，90° 3個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度(Ultimate Tensile Strength,UTS)與屈服強(qiáng)度(Yield Strength,YS)呈現(xiàn)相同的變化趨勢，在0°方向的強(qiáng)度最高，而在45°方向的強(qiáng)度最低，并且CO1板的強(qiáng)度值在3個(gè)方向上均低于CO2板，二者的抗拉強(qiáng)度相差5～7MPa，屈服強(qiáng)度相差7～10MPa。然而，兩種板材的斷后伸長率則呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，CO1板的伸長率在45°方向最大、0°方向最?。籆O2板同樣在0°方向的伸長率最小，但在90°方向具有最大伸長率。此外，對兩種板材的斷后伸長率比較后發(fā)現(xiàn)，CO1板在0°和90°方向上低于CO2板，在45°方向上高于CO2板。

圖7　CO1板和CO2板的拉伸力學(xué)性能Fig.7　Tensile property of CO1 and CO2 sheets

2.3成形性能

圖8　CO1板和CO2板的加工硬化指數(shù)與塑性應(yīng)變比Fig.8　Working-hardening exponent and plastic strain ratio of CO1 and CO2 sheets

圖8為CO1板和CO2板在3個(gè)方向上的加工硬化指數(shù)(n)和塑性應(yīng)變比(r)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，CO1板的n值隨取樣方向的變化較為劇烈，0°方向最大，45°方向最??；CO2板的n值在3個(gè)方向相差較小，90°方向數(shù)值略高于0°和45°方向；對比兩種板材的n值，CO1板在0°方向高于CO2板，其余兩個(gè)方向不及CO2板。此外，兩種板材的r值在3個(gè)方向上變化趨勢不同，CO1板在0°方向最小，45°方向最大，90°方向稍有下降，而CO2板的r值在0°，45°，90°3個(gè)方向上的數(shù)值依次上升，且對比兩種板材的r值可以看出二者之間區(qū)別不大，僅在90°方向上相差約0.05。

3　分析討論

3.1中間退火對顯微組織和金屬間化合物的影響

根據(jù)圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過中間退火處理的CO1板具有更細(xì)小均勻的晶粒，而未經(jīng)中間退火處理的CO2板晶粒尺寸略大，這與Li等[4]獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。產(chǎn)生上述結(jié)果的可能原因歸為兩類，即原始晶粒尺寸和變形儲(chǔ)存能對再結(jié)晶過程的影響。變形前的原始晶粒越細(xì)小，原有大角度界面越多，為再結(jié)晶晶核的形成增加了可能位置而提高了形核率，根據(jù)約翰-梅厄方程[12]，再結(jié)晶后可獲得更加細(xì)小的晶粒尺寸。另外，再結(jié)晶是一個(gè)形核和長大的過程，其驅(qū)動(dòng)力來源于加工變形時(shí)的儲(chǔ)存能[13]，中間退火熱處理使得部分變形儲(chǔ)存能得以釋放，降低了再結(jié)晶晶粒生長的驅(qū)動(dòng)力，從而獲得細(xì)小的晶粒組織。在本工作中，經(jīng)過中間退火處理的CO1板發(fā)生再結(jié)晶(如圖2(c)所示)，相對于未經(jīng)中間退火的CO2板(如圖2(a)所示)，CO1板具有更小的原始晶粒和更低的變形儲(chǔ)存能，因此在完全退火態(tài)下呈現(xiàn)出更細(xì)小均勻的晶粒組織。然而在5182合金汽車板生產(chǎn)中并非晶粒越小越好，因?yàn)閰蔚滤箮?yīng)隨晶粒尺寸減小而加劇的事實(shí)已被多人證實(shí)[5,14]，為避免合金在拉伸變形過程中表面出現(xiàn)呂德斯帶而影響美觀，合金的晶粒尺寸應(yīng)控制在25μm以上。

圖4和圖5顯示了CO1和CO2板金屬間化合物的形貌與尺寸分布，數(shù)據(jù)顯示CO1板加工變形后化合物破碎的程度不及CO2板，相似的結(jié)果見于Li等[4]的工作。金屬間化合物的破碎程度與基體的內(nèi)應(yīng)力水平相關(guān)[15]，隨著冷變形量的增加，基體的內(nèi)應(yīng)力水平升高，粗大化合物更容易破碎。在本工作中，CO1板在中間退火后的冷變形量為68%，未經(jīng)中間退火的CO2板的冷變形量為85%，在其他條件不變的情況下，CO1板因較小的變形量而產(chǎn)生較小的晶格畸變，具有較低的形變儲(chǔ)存能，內(nèi)應(yīng)力水平低而使化合物粒子受力減小，壓潰程度下降，導(dǎo)致尺寸較大的化合物殘留在基體中。大量的研究工作表明[15,16]，粗大化合物會(huì)影響合金的成形性能，導(dǎo)致成形困難，成品率低，因此在汽車板生產(chǎn)過程中應(yīng)盡可能使金屬間化合物充分破碎。

3.2中間退火對力學(xué)性能和成形性能的影響

5系鋁合金的晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度之間遵循Hall-Petch關(guān)系，即晶粒越細(xì)小，合金的屈服強(qiáng)度越高[5,17]。然而，本工作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CO2板在完全退火態(tài)下的晶粒尺寸比CO1板大2μm，同時(shí)強(qiáng)度也比后者高7～10MPa，這似乎是反Hall-Petch關(guān)系。但需要指出的是，根據(jù)圖6所示的結(jié)果，5182合金的第二相粒子包含Al6(Fe, Mn)相和Mg2Al3相，兩種粒子都能釘扎位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，起到彌散強(qiáng)化的作用[7,11]。中間退火熱處理使合金的冷變形量減小，降低了板材中儲(chǔ)存的應(yīng)變能，使第二相粒子析出驅(qū)動(dòng)力削弱，從而減少了彌散析出相的數(shù)量。

加工硬化指數(shù)n值是合金成形性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，n值越高表明合金抵抗不均勻變形的能力越大，合金越不容易失穩(wěn)斷裂，因此在汽車板生產(chǎn)中希望獲得盡可能大n值的合金以保證材料在沖壓過程中成形。在本工作中，CO1板和CO2板在3個(gè)方向上具有不同的n值，總體變化趨勢與強(qiáng)度變化相似而與伸長率變化趨勢相反，且CO2板的n值在45°和90°方向上略高于CO1板，可見中間退火不能改善5182鋁合金的加工硬化性能。

表1　CO1和CO2板塑性應(yīng)變比的厚向各向異性和平面各向異性

4　結(jié)論

(1)經(jīng)中間退火處理的板材比未經(jīng)中間退火處理的板材具有更加細(xì)小的晶粒組織，拉伸后容易在表面產(chǎn)生呂德斯帶。

(2)經(jīng)中間退火處理的板材具有較小的冷變形量，內(nèi)應(yīng)力水平降低使金屬間化合物受力減小，在變形過程中破碎程度降低。

(3)經(jīng)中間退火處理的板材降低了第二相析出的驅(qū)動(dòng)力，彌散析出相數(shù)量少，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于未經(jīng)中間退火處理的板材。

(4)在本工作的工藝條件下，相比未經(jīng)中間退火處理的板材，經(jīng)中間退火處理的板材具有較低的加工硬化值和較小的塑性應(yīng)變比，對于提升合金的成形性能作用有限。

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Effect of Intermediate Annealing on Microstructure and Property of 5182 Aluminum Alloy Sheet for Automobile

WANG Yu1,2,CAO Ling-yong1,2，3,LI Jun-peng1,2,ZHANG Hua1,GUO Fu-an1,2

(1 National Engineering Research Center for Plastic Working of Aluminum Alloys,Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Longkou 265713,Shandong,China;2 Beijing Nanshan Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100048,China；3 School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Effect of intermediate annealing on the microstructure and properties of 5182 aluminum alloy sheet with full annealed state (5182-O) was investigated by means of optical microscope, scanning electron microscope and universal testing machine. The results indicate that compared with 5182-O sheet without intermediate annealing, 5182-O sheet with intermediate annealing possesses too fine grain size, intermetallic compounds not broken enough, larger size intermetallic particles, less dispersed phase. Yield strength and ultimate tensile strength, work hardening exponent and normal anisotropy of plastic strain ratio decrease but planner anisotropy of plastic strain ratio increases. The mechanical properties and forming ability of 5182-O aluminum alloy sheet and its microstructure are not improved significantly after intermediate annealing.

intermediate annealing;aluminium alloy;microstructure;mechanical property;forming ability

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.012

TG146.2+1

A

1001-4381(2016)09-0076-06

2014-12-01；

2016-03-27

曹零勇(1984-)，男，博士，從事汽車用高性能鋁合金板材研究，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)車公莊西路19號(hào)外文文化創(chuàng)意園8號(hào)樓三層(100048)，E-mail:lingyongcao@163.com