退火制度对5754铝合金力学性能与微观组织的影响

张 伟,谢方亮,张新宇,李秋梅,刘兆伟,董刘颖

(1.辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003;2.天津忠旺科技有限公司,天津 301700)

5754合金作为5xxx系中不可热处理增强的典型变形铝合金之一,因其质量轻、成形优良、性能中等等特点,在车辆、船舶、航空航天中被广泛使用[1,2]。但实际生产中,5754铝合金板材经冷轧后极易出现加工硬化,组织处于亚稳态,同时在基体中形成大量晶体缺陷,对其后续深加工等冷变形带来了开裂、橘皮等成形问题[3]。退火处理作为一种铝合金中常用的热处理手段可用来削弱加工硬化,被广泛使用[4]。李慧中等[5]对冷轧5083铝合金进行退火处理,发现5083铝合金在再结晶温度为240 ℃,终止再结晶温度为260 ℃。黄娟等人[6]发现5052铝合金板材在400～500 ℃退火可得到性能优良的5051-O态板材。目前,对于5754铝合金板材退火制度的研究较少,因此,本文主要探究不同退火制度对5754铝合金板材力学性能与微观组织的影响。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验选用5754铝合金冷轧板材,厚度3.4 mm,其化学成分见表1。分别对其进行退火处理,退火温度80～540 ℃,退火时间2 h,随后对其进行空冷处理。

表1 5754化学成分(质量分数,%)

1.2 检测方法

板材取样示意图如图1所示,其中RD(rolling direction)为垂直于轧制方向横截面,TD(transverse direction)为平行于轧制方向侧面,ND(normal direction)为轧制试样上表面。根据《GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》将5754铝合金板材加工成拉伸试样,设备选用ZWICK Z100型万能测试机,实测5组,取平均值作为试验结果。折弯试验按照德国汽车工业协会板材折弯试验方法《VDA-238-100》进行试验。依据《GB/T3246.1-2012》显微组织检验方法,使用Zeiss Axio Vert.A1型光学显微镜对板材TD面制备成试样,经阳极覆膜处理后在偏振光模式下观察晶粒尺寸。透射试样使用JEOL F200透射电镜观测。

图1 板材取样位置Fig.1 Sampling position of sheet metal

2 试验结果

2.1 力学性能

5754铝合金冷轧板材经不同退火制度的力学性能如图2所示。可以发现,冷轧态5754铝合金板材具备较高的强度和最低的伸长率,此时抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为302.6 MPa、151.3 MPa和6.16%。经退火处理后,合金强度开始下降但伸长率呈相反趋势增加,且在不同温度范围内,其变化幅度不同。由80 ℃到240 ℃温度范围内进行退火,随着退火温度的提升,合金强度下降趋势较为缓慢,但伸长率得到明显增加;由240 ℃到300 ℃温度内进行退火时,5754铝合金力学性能出现明显改变;当退火温度超过300 ℃后,随温度的提升,合金强度和伸长率趋于平缓。

图2 5754铝合金不同退火制度力学性能Fig.2 Mechanical properties of 5754 aluminum alloy under different annealing regimes

2.2 折弯试验

图3为5754铝合金经不同退火制度的折弯试验结果。可以发现,冷轧态的5754铝合金折弯角度较小,约为98°,但随着退火温度的提高,其折弯角度越来越大,当退火制度为300 ℃×2 h时,折弯角度可达到119°。同时可以发现,冷轧态5754铝合金折弯时可承载最大载荷与经240 ℃×2 h退火处理后合金差别不大,近似于5.5 kN。但随着退火温度继续升高,此时可承载最大载荷开始降低,退火制度为300 ℃×2 h时,其值约为4.83 kN。

图3 5754铝合金不同退火制度折弯结果Fig.3 Bending results of 5754 aluminum alloy under different annealing regimes

2.3 晶粒度

图4为5754铝合金板材经不同退火制度的晶粒度图片。由图4(a)可以看到,5754铝合金经冷轧后,晶粒被拉长,呈纤维状组织。经240 ℃×2 h退火处理后,5754铝合金晶粒度未发生明显改变,与冷轧态相同。当270 ℃×2 h退火处理,晶粒仍然以纤维状组织为主,但在纤维状组织中出现许多细小的再结晶晶粒,形成部分再结晶现象。当退火制度为300 ℃×2 h时,晶粒由纤维状组织全部转变成等轴晶,完全形成再结晶。随着退火温度的升高,5754铝合金中的晶粒在晶界表面能的驱动下相互吞并,造成了小晶粒被临近的其余大晶粒所吞食、吸收,最终得到粗化长大的晶粒。丁昊晨等人[7]同样在退火态5083铝合金内观测到这一现象。

(a)冷轧态;(b)240 ℃×2 h;(c)270 ℃×2 h;(d)300 ℃×2 h图4 5754铝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

为了可以更好的观测不同退火制度对5754铝合金微观组织的影响,对经不同退火处理的合金进行TEM观测,显微组织形貌如图5所示。由图5(a)可以看到,冷轧态组织中存在大量高密度的位错缠绕,体现出较高的加工硬化;270 ℃×2 h退火处理后,位错密度开始下降且出现多边形的位错胞,5754铝合金开始出现回复组织特点;继续提高退火温度至300 ℃后,合金中位错密度进一步降低,且出现再结晶晶粒特征,为三角晶界,同时可以发现,5754铝合金基体中出现许多颗粒状析出相。

(a)冷轧态;(b)270 ℃×2 h;(b)300 ℃×2 h图5 5754铝合金不同退火制度TEMFig.5 TEM of 5754 aluminum alloy with different annealing regimes

3 结果分析

由图2可以看到,冷轧态5754铝合金板材具有较高的力学性能和较低的伸长率,这主要是因为合金在冷轧后在基体中产生了严重的加工硬化现象,使合金晶格产生了严重的畸变现象。观测图4(a)可以发现,其晶粒度主要由轧制后的纤维状组织构成,同时观测图5(a)可以发现,5754铝合金冷轧态下基体中存在大量位错,聚集在一起形成了位错纠缠,这对于合金强度起到了很好的增强作用[5]。

随着退火温度的提高,合金强度开始下降。这是由于随着温度提高,5754铝合金板材内晶格畸变减弱,纤维状组织开始回复再结晶且伴随长大,同时基体内部位错纠缠逐渐减少,位错密度降低,因此力学性能降低[8,9]。当退火制度为240 ℃×2 h时,观测图4(b)可以发现,5754铝合金板材依然保持冷轧组织状态,但由于其受热后基体内位错会减弱,因此强度率低于冷轧态。当退火温度提升至270 ℃直至更好时,5754铝合金板材组织开始出现再结晶现象至完全再结晶,所以此时强度快速下降,加工硬化减弱伸长率提高。

随退火温度的提高,5754铝合金板材折弯角度越来越大,这是因为合金中纤维转组织向等轴晶转变,逐渐释放变形储存能,削弱加工硬化[7],会发现合金内部的位错逐渐减少、消失,晶格畸变得到回复。因此,板材的可成形性得到逐渐增强。同时,随材料的抗拉强度和抗拉强度逐渐降低,伸长率提高,所以板材可承载最大载荷随退火温度的提高而下降。

4 结论

(1)5754铝合金板材强度随退火温度的提高不断下降,当退火温度由240 ℃提高至300 ℃时,强度下降趋势最快,同时板材伸长率不断提高。

(2)5754铝合金板材在退火制度为270 ℃×2 h时,晶粒仍然以纤维状组织为主,但在纤维状组织中出现许多细小的再结晶晶粒;退火制度为300 ℃×2 h时,完全再结晶,晶粒为等轴晶;冷轧态板材内部存在大量位错纠缠,提高退火温度至300 ℃后,合金中位错密度降至最低,且出现再结晶晶粒特征,为三角晶界。

(3)5754铝合金板材随退火温度的提升,折弯角度不断增加,材料可成形性提升。