不同退火工藝對5754鋁合金板材組織與性能的影響

1、不同退火工藝對5754鋁合金板材組織與性能的影響張國偉（廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）摘要：由于目前國內(nèi)對不同熱處理狀態(tài)5754鋁合金冷軋板材的研究及其相關(guān)技術(shù)資料缺乏，通過在不同退火溫度及保溫時間的條件下，對不同冷變形量5754鋁合金冷軋板的微觀組織與拉伸性能進行了試驗研究，探討板材微觀組織、性能與冷加工率和退火工藝的內(nèi)在關(guān)系。結(jié)果表明，當冷加T率大于50%時，板材性能對退火溫度非常敏感，再結(jié)晶溫度區(qū)間很窄，在100C之內(nèi)。關(guān)鍵詞：5754鋁合金；冷軋板；熱處理；拉伸中圖分類號：TC166.3文章編號：1007 -7235（2016）02 - 00

2、32 - 05 5754鋁合金是5×××系鋁合金中的典型合金，具有中等強度、良好的焊接性、耐腐蝕性以及優(yōu)異的加工成形性能。目前不同熱處理狀態(tài)的5754鋁合金板材廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、制罐工業(yè)、高鐵等行業(yè)，也是未來海洋工程海水淡化裝置結(jié)構(gòu)件的潛在主要材料之一。當前國內(nèi)對不同熱處理狀態(tài)的5754鋁合金冷軋板的研究及相關(guān)技術(shù)資料缺乏。因此，本試驗研究不同冷加工率以及退火工藝對5754鋁合金冷軋板微觀組織與性能的影響，以期對現(xiàn)有工藝進行優(yōu)化，完善5754鋁合金退火板材的技術(shù)資料，提高國產(chǎn)5754鋁合金冷軋板的生產(chǎn)技術(shù)水平，拓寬該合金板材的應(yīng)用

3、領(lǐng)域。1  試驗材料及方法1.1試驗材料 Al-Mg合金屬于不可熱處理強化鋁合金，主要靠加工硬化和晶界強化獲得高強度，輔助強化機制為固溶強化、過剩相強化、彌散相強化等。冷軋板材的加工硬化主要為冷變形以及冷變形后部分退火而不同程度的獲得，而晶界強化主要是鑄錠細化晶粒的遺傳性以及冷加工晶粒的破碎提高晶界表面積及位錯密度，從而提高板材的強度。5754鋁合金中，Mg是主要的合金化元素，有一定的固溶強化作用，但強化效果低。合金化元素Mg使該合金的加工敏感性顯著提高，容易獲得較為明顯的加工應(yīng)變強化。M n、Cr起補充強化作用，提高5754鋁合金再結(jié)晶溫度，便于改善板

4、材熱處理工藝與微觀組織的控制。 本試驗選擇520 mm xl 620 mm規(guī)格結(jié)晶器、采用直接水冷半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的5754鋁合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。  1.2試樣制備與退火處理工藝 板材試驗生產(chǎn)工藝流程為：鑄錠均勻化鋸 切銑面預(yù)加熱熱粗軋熱精軋冷軋成品退火性能檢測。選用直接水冷半連續(xù)鑄造法520 mm x1620 mm規(guī)格結(jié)晶器生產(chǎn)的5754鋁合金鑄錠，經(jīng)均勻化、鋸切、銑面后，經(jīng)5100C +100C保溫4h8 h預(yù)加熱，然后熱粗軋至22 

5、mm厚，再轉(zhuǎn)入熱精軋至6.0 mm，終軋溫度控制在3100C340。然后轉(zhuǎn)入冷軋，分別按照50%、67%和80%的冷加工率冷軋至3.0 mm，2.0 mm和1.2 mm三種不同厚度的帶卷，從這三種厚度的卷材切取試驗用料，進行成品退火試驗，其退火溫度為1200C390，保溫時間為1 h2 h。  1.3性能和金相組織測試 經(jīng)過不同退火工藝處理的樣品，按照國家標準  GB/T 228.1  - 2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫拉伸試驗在Z100

6、電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗。 從不同退火工藝處理后的試樣切取試料按有關(guān)標準制成金相試樣，金相試樣的腐蝕劑為：5 m LHNO3，5 m L HCI，10 m L HF、380 m L H20的混合酸溶液。經(jīng)腐蝕后的各試樣分別在蔡司A xio vert. Al金相顯微鏡上檢查顯微組織。2試驗結(jié)果及分析2.1不同退火工藝對板材微觀組織的影響 不同冷加工率的5754鋁合金冷軋板經(jīng)不同退火工藝處理后的微觀組織如圖1所示。從圖1可見，在12

7、00C230C溫度區(qū)間，板材微觀組織為典型的軋制組織，如圖1a所示。隨著板材的退火溫度上升到2500C2900C區(qū)間進行退火，軋板的微觀組織有顯著的變化，發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，軋制組織與再結(jié)晶組織共存，如圖1b所示。從圖1c可見，當板材的退火溫度上升到350時，發(fā)生了完全再結(jié)晶，板材的微觀組織為顆粒均勻的等軸完全再結(jié)晶組織，軋制組織完全消失。隨著溫度進一步升高到390時，再結(jié)晶晶粒之間相互吞并，長大成均勻、粗大的等軸再結(jié)晶組織，如圖1d所示。2.2不同冷加工率對板材性能的影響 5754鋁合金鑄錠熱軋至厚度為6 mm坯料后轉(zhuǎn)入冷軋，經(jīng)過6.0 mm 4.0&

8、#160;mm3.0 mm 2.0 mm1.2 mm多個道次冷軋，并在相關(guān)道次取樣進行性能檢測，其結(jié)果如表2所示。 5754鋁合金熱軋坯料經(jīng)較大的冷加工塑性變形之后，原來的晶粒發(fā)生了劇烈變形，甚至破碎成更為細小的晶粒，在板材微觀組織結(jié)構(gòu)中位錯密度、亞結(jié)構(gòu)密度急劇增大，并發(fā)生了交互作用。隨著總冷變形量的增加，位錯及亞結(jié)構(gòu)密度顯著增加，強度性能增加，塑性顯著降低。因此，從表2結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，6 mm熱軋坯料的強度較低，伸長率高達25%，但經(jīng)多道次冷軋之后，隨著冷加工率增加板材的屈服強度和抗拉強度急劇上升，伸長率下降，且冷加工率大于50%后，

9、其伸長率變化不大。2.3  熱處理試驗結(jié)果與分析 鋁合金在冷軋過程中，少部分變形功以晶格畸變和各種晶格缺陷儲存在板材內(nèi)部，導(dǎo)致冷軋之后板材的自由能攀升，在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)狀態(tài)。而在常溫下，原子的活動能力很小，可使大多數(shù)金屬板材的亞穩(wěn)狀態(tài)保持非常長的時間而不發(fā)生明顯的變化。但板材溫度一旦升高，原子擴散能力增加，使冷軋板材有由亞穩(wěn)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，導(dǎo)致冷變形板材的微觀組織和性能都有很大的變化。從圖2、3、4可以看出，5754鋁合金冷軋板材在120 390溫度區(qū)間進行退火處理，板材分別經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大三個階段。 在1202

10、30溫度區(qū)間內(nèi)進行退火處理，不同冷變形量的5754鋁合金板材主要發(fā)生了低溫回復(fù)過程。在這一過程，主要以空位或間隙原子等點缺陷運動為主，然而，力學(xué)性能對點缺陷變化的敏感度不高，此時各項力學(xué)性能指標變化不大，但強度均有下降的趨勢。當退火溫度為2100C時，屈服強度和抗拉強度均有小幅上升，伸長率略有下降，這可能是由于在該溫度保溫時，原先溶于基體中的結(jié)晶相Mg5 Al8相均勻的彌散析出于晶內(nèi)與晶界上，起到一定的彌散強化作用，此時的強化作用大于回復(fù)軟化的，故強度呈現(xiàn)了微小的上升。隨著退火溫度進一步提高，當不同冷變形量的5754鋁合金板材在2500C2900C區(qū)間內(nèi)進行退火，板材的強度性能出現(xiàn)急

11、劇下降，在該溫度區(qū)間退火，冷變形板材發(fā)生了再結(jié)晶軟化過程，在原來的冷變形組織中產(chǎn)生了新的無畸變的等軸晶，最終得到無內(nèi)應(yīng)力和形變的完全再結(jié)晶組織。當退火溫度進一步升高，再結(jié)晶晶粒之間相互吞并并長大，最后得到相對均勻的、尺寸較為粗大的等軸再結(jié)晶組織，但此時板材內(nèi)部已處于穩(wěn)定狀態(tài)，等軸再結(jié)晶未發(fā)生異常長大。因此，在這一晶粒長大階段前后，平均晶粒尺寸差別不大，從而各項力學(xué)性能指標也沒有顯著的變化。 在熱處理過程中影響鋁合金冷軋板材再結(jié)晶過程的因素主要有合金成分、原始晶粒尺寸、冷變形程度，退火溫度、退火保溫時間、加熱速度等方面。在此次試驗研究中，為了更加深入的探究不同冷變形量的5754鋁合金冷

12、軋板的開始再結(jié)晶軟化問題，在上述退火試驗及結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了不同溫度及保溫時間的相關(guān)退火試驗，檢測結(jié)果如表3所示。從圖2、3、4及表3的對比分析結(jié)果可知，5754鋁合金冷軋板材的初始再結(jié)晶受到總冷變形量、退火溫度和保溫時間的影響非常大，其中總冷變形量的影響最為關(guān)鍵。從圖2、3、4和表3所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，總冷變形量大于50%的各板材，都經(jīng)2700C2 h退火后，其力學(xué)性能有巨大的差異?？偫渥冃瘟繛?0%的軋板材，經(jīng)該退火工藝退火后，為H24狀態(tài)，而總冷變形量大于50%的軋板卻已是O狀態(tài)。除此之外，從表3也可知，總冷變形量大于50%的5754鋁合金冷軋板在再結(jié)晶開始溫度與再結(jié)晶

13、終了溫度之間退火時，性能對溫度變化非常敏感，退火溫度區(qū)間非常窄，在10之內(nèi)。 在實際生產(chǎn)中，受到不同批次因成分波動、前工序的細微差異等方面的影響，導(dǎo)致退火溫度范圍更加難以控制，因而對退火爐溫度精度與均勻性的要求極高，這給大批量、穩(wěn)定地工業(yè)生產(chǎn)造成極大的影響，容易出現(xiàn)退火后性能不均、不達標等現(xiàn)象，造成成品率低下。因此，在工業(yè)化生產(chǎn)5754-H2n狀態(tài)板材時，為了便于設(shè)計和控制退火工藝以及提高5754鋁合金板材的成品率，總冷加工率不宜大于50%。3  結(jié)  論 1) 5754鋁合金6 mm熱軋坯料的強度較低，伸長高達25%，但經(jīng)過多道次冷軋，隨著冷加工率增加板材的屈服強度和抗拉強度急劇上升，伸長率下降