退火制度對(duì)5754鋁合金力學(xué)性能與微觀組織的影響

張 偉,謝方亮,張新宇,李秋梅,劉兆偉,董劉穎

(1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003;2.天津忠旺科技有限公司,天津 301700)

5754合金作為5xxx系中不可熱處理增強(qiáng)的典型變形鋁合金之一,因其質(zhì)量輕、成形優(yōu)良、性能中等等特點(diǎn),在車輛、船舶、航空航天中被廣泛使用[1,2]。但實(shí)際生產(chǎn)中,5754鋁合金板材經(jīng)冷軋后極易出現(xiàn)加工硬化,組織處于亞穩(wěn)態(tài),同時(shí)在基體中形成大量晶體缺陷,對(duì)其后續(xù)深加工等冷變形帶來(lái)了開裂、橘皮等成形問(wèn)題[3]。退火處理作為一種鋁合金中常用的熱處理手段可用來(lái)削弱加工硬化,被廣泛使用[4]。李慧中等[5]對(duì)冷軋5083鋁合金進(jìn)行退火處理,發(fā)現(xiàn)5083鋁合金在再結(jié)晶溫度為240 ℃,終止再結(jié)晶溫度為260 ℃。黃娟等人[6]發(fā)現(xiàn)5052鋁合金板材在400～500 ℃退火可得到性能優(yōu)良的5051-O態(tài)板材。目前,對(duì)于5754鋁合金板材退火制度的研究較少,因此,本文主要探究不同退火制度對(duì)5754鋁合金板材力學(xué)性能與微觀組織的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用5754鋁合金冷軋板材,厚度3.4 mm,其化學(xué)成分見表1。分別對(duì)其進(jìn)行退火處理,退火溫度80～540 ℃,退火時(shí)間2 h,隨后對(duì)其進(jìn)行空冷處理。

表1 5754化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 檢測(cè)方法

板材取樣示意圖如圖1所示,其中RD(rolling direction)為垂直于軋制方向橫截面,TD(transverse direction)為平行于軋制方向側(cè)面,ND(normal direction)為軋制試樣上表面。根據(jù)《GB/T 228.1-2010 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》將5754鋁合金板材加工成拉伸試樣,設(shè)備選用ZWICK Z100型萬(wàn)能測(cè)試機(jī),實(shí)測(cè)5組,取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。折彎試驗(yàn)按照德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)板材折彎試驗(yàn)方法《VDA-238-100》進(jìn)行試驗(yàn)。依據(jù)《GB/T3246.1-2012》顯微組織檢驗(yàn)方法,使用Zeiss Axio Vert.A1型光學(xué)顯微鏡對(duì)板材TD面制備成試樣,經(jīng)陽(yáng)極覆膜處理后在偏振光模式下觀察晶粒尺寸。透射試樣使用JEOL F200透射電鏡觀測(cè)。

圖1 板材取樣位置Fig.1 Sampling position of sheet metal

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

5754鋁合金冷軋板材經(jīng)不同退火制度的力學(xué)性能如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),冷軋態(tài)5754鋁合金板材具備較高的強(qiáng)度和最低的伸長(zhǎng)率,此時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為302.6 MPa、151.3 MPa和6.16%。經(jīng)退火處理后,合金強(qiáng)度開始下降但伸長(zhǎng)率呈相反趨勢(shì)增加,且在不同溫度范圍內(nèi),其變化幅度不同。由80 ℃到240 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火,隨著退火溫度的提升,合金強(qiáng)度下降趨勢(shì)較為緩慢,但伸長(zhǎng)率得到明顯增加;由240 ℃到300 ℃溫度內(nèi)進(jìn)行退火時(shí),5754鋁合金力學(xué)性能出現(xiàn)明顯改變;當(dāng)退火溫度超過(guò)300 ℃后,隨溫度的提升,合金強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率趨于平緩。

圖2 5754鋁合金不同退火制度力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of 5754 aluminum alloy under different annealing regimes

2.2 折彎試驗(yàn)

圖3為5754鋁合金經(jīng)不同退火制度的折彎試驗(yàn)結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn),冷軋態(tài)的5754鋁合金折彎角度較小,約為98°,但隨著退火溫度的提高,其折彎角度越來(lái)越大,當(dāng)退火制度為300 ℃×2 h時(shí),折彎角度可達(dá)到119°。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),冷軋態(tài)5754鋁合金折彎時(shí)可承載最大載荷與經(jīng)240 ℃×2 h退火處理后合金差別不大,近似于5.5 kN。但隨著退火溫度繼續(xù)升高,此時(shí)可承載最大載荷開始降低,退火制度為300 ℃×2 h時(shí),其值約為4.83 kN。

圖3 5754鋁合金不同退火制度折彎結(jié)果Fig.3 Bending results of 5754 aluminum alloy under different annealing regimes

2.3 晶粒度

圖4為5754鋁合金板材經(jīng)不同退火制度的晶粒度圖片。由圖4(a)可以看到,5754鋁合金經(jīng)冷軋后,晶粒被拉長(zhǎng),呈纖維狀組織。經(jīng)240 ℃×2 h退火處理后,5754鋁合金晶粒度未發(fā)生明顯改變,與冷軋態(tài)相同。當(dāng)270 ℃×2 h退火處理,晶粒仍然以纖維狀組織為主,但在纖維狀組織中出現(xiàn)許多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,形成部分再結(jié)晶現(xiàn)象。當(dāng)退火制度為300 ℃×2 h時(shí),晶粒由纖維狀組織全部轉(zhuǎn)變成等軸晶,完全形成再結(jié)晶。隨著退火溫度的升高,5754鋁合金中的晶粒在晶界表面能的驅(qū)動(dòng)下相互吞并,造成了小晶粒被臨近的其余大晶粒所吞食、吸收,最終得到粗化長(zhǎng)大的晶粒。丁昊晨等人[7]同樣在退火態(tài)5083鋁合金內(nèi)觀測(cè)到這一現(xiàn)象。

(a)冷軋態(tài);(b)240 ℃×2 h;(c)270 ℃×2 h;(d)300 ℃×2 h圖4 5754鋁合金不同退火制度晶粒度Fig.4 Grain size of 5754 aluminum alloy under different annealing regimes

2.4 TEM

為了可以更好的觀測(cè)不同退火制度對(duì)5754鋁合金微觀組織的影響,對(duì)經(jīng)不同退火處理的合金進(jìn)行TEM觀測(cè),顯微組織形貌如圖5所示。由圖5(a)可以看到,冷軋態(tài)組織中存在大量高密度的位錯(cuò)纏繞,體現(xiàn)出較高的加工硬化;270 ℃×2 h退火處理后,位錯(cuò)密度開始下降且出現(xiàn)多邊形的位錯(cuò)胞,5754鋁合金開始出現(xiàn)回復(fù)組織特點(diǎn);繼續(xù)提高退火溫度至300 ℃后,合金中位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低,且出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒特征,為三角晶界,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),5754鋁合金基體中出現(xiàn)許多顆粒狀析出相。

(a)冷軋態(tài);(b)270 ℃×2 h;(b)300 ℃×2 h圖5 5754鋁合金不同退火制度TEMFig.5 TEM of 5754 aluminum alloy with different annealing regimes

3 結(jié)果分析

由圖2可以看到,冷軋態(tài)5754鋁合金板材具有較高的力學(xué)性能和較低的伸長(zhǎng)率,這主要是因?yàn)楹辖鹪诶滠埡笤诨w中產(chǎn)生了嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象,使合金晶格產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象。觀測(cè)圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),其晶粒度主要由軋制后的纖維狀組織構(gòu)成,同時(shí)觀測(cè)圖5(a)可以發(fā)現(xiàn),5754鋁合金冷軋態(tài)下基體中存在大量位錯(cuò),聚集在一起形成了位錯(cuò)糾纏,這對(duì)于合金強(qiáng)度起到了很好的增強(qiáng)作用[5]。

隨著退火溫度的提高,合金強(qiáng)度開始下降。這是由于隨著溫度提高,5754鋁合金板材內(nèi)晶格畸變減弱,纖維狀組織開始回復(fù)再結(jié)晶且伴隨長(zhǎng)大,同時(shí)基體內(nèi)部位錯(cuò)糾纏逐漸減少,位錯(cuò)密度降低,因此力學(xué)性能降低[8,9]。當(dāng)退火制度為240 ℃×2 h時(shí),觀測(cè)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),5754鋁合金板材依然保持冷軋組織狀態(tài),但由于其受熱后基體內(nèi)位錯(cuò)會(huì)減弱,因此強(qiáng)度率低于冷軋態(tài)。當(dāng)退火溫度提升至270 ℃直至更好時(shí),5754鋁合金板材組織開始出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象至完全再結(jié)晶,所以此時(shí)強(qiáng)度快速下降,加工硬化減弱伸長(zhǎng)率提高。

隨退火溫度的提高,5754鋁合金板材折彎角度越來(lái)越大,這是因?yàn)楹辖鹬欣w維轉(zhuǎn)組織向等軸晶轉(zhuǎn)變,逐漸釋放變形儲(chǔ)存能,削弱加工硬化[7],會(huì)發(fā)現(xiàn)合金內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸減少、消失,晶格畸變得到回復(fù)。因此,板材的可成形性得到逐漸增強(qiáng)。同時(shí),隨材料的抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低,伸長(zhǎng)率提高,所以板材可承載最大載荷隨退火溫度的提高而下降。

4 結(jié)論

(1)5754鋁合金板材強(qiáng)度隨退火溫度的提高不斷下降,當(dāng)退火溫度由240 ℃提高至300 ℃時(shí),強(qiáng)度下降趨勢(shì)最快,同時(shí)板材伸長(zhǎng)率不斷提高。

(2)5754鋁合金板材在退火制度為270 ℃×2 h時(shí),晶粒仍然以纖維狀組織為主,但在纖維狀組織中出現(xiàn)許多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒;退火制度為300 ℃×2 h時(shí),完全再結(jié)晶,晶粒為等軸晶;冷軋態(tài)板材內(nèi)部存在大量位錯(cuò)糾纏,提高退火溫度至300 ℃后,合金中位錯(cuò)密度降至最低,且出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒特征,為三角晶界。

(3)5754鋁合金板材隨退火溫度的提升,折彎角度不斷增加,材料可成形性提升。