1. 引言
5754铝合金是典型的5xxx系铝合金,具有中等强度、良好的焊接性能、耐腐蚀性能以及成形性能等特点,被广泛应用于汽车、船舶、航空、航天等领域 [1] [2] 。Al-Mg系合金属于热处理不可强化的铝合金,主要由Mg原子的固溶强化和细晶强化来决定。5754铝合金板材生产时,铸锭经过热轧和冷轧后,要进行退火处理,而退火工艺是最终决定板材成品性能的关键 [3] 。本文系统地研究了冷变形量、退火温度以及退火时间对5754铝合金组织与性能的影响。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验材料
实验材料为6 mm厚5754铝合金热轧坯料,其化学成分如表1所示。
2.2. 实验方法
对热轧坯料进行冷轧,冷轧加工率分别为15%、30%、45%、60%、75%,再将不同冷轧加工率的板材进行退火处理,退火温度分别为160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃和280℃,退火时间分别为2 h、3 h和4 h。
在MTS809材料试验机上分别测试5754合金不同冷轧加工率和不同退火制度时的室温拉伸性能;在OLYMPUS金相显微镜下观察不同状态下经打磨、抛光以及使用Keller试剂浸蚀的5754金相试样的显微组织。
3. 实验结果
3.1. 冷变形量对5754合金的影响
热轧坯料经不同加工率冷轧后的力学性能如图1所示。从图1可知,随着冷变形量的增大,合金的抗拉强度和屈服强度不断增加,而延伸率则逐渐降低。冷变形量为15%时,5754合金板材的抗拉强度和屈服强度为226 MPa和256 MPa,延伸率为9%。当冷变形量增加到45%时,5754合金板材的抗拉强度和屈服强度为270 MPa和306 MPa,延伸率为5%。5754合金板材的抗拉强度和屈服强度分别增加了44 MPa和50 MPa,延伸率则下降了4%。当冷变形量继续增加到75%时,5754合金板材的抗拉强度和屈服强度为346 MPa和357 MPa,延伸率为3%。5754合金板材的抗拉强度和屈服强度分别增加了76 MPa和51 MPa,延伸率则下降了2%。
3.2. 退火温度对5754合金的影响
从图2、图3可以看出,冷变形量相同的5754合金板材,随着退火温度的升高,其抗拉强度和屈服强度均降低,延伸率则升高,且这种变化趋势随变形量的增大而更趋显著。冷变形量在15%~30%之间的板材,其力学性能变化较平缓,而变形量在45%~75%之间的板材,其力学性能变化较大。5754合金板
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Table 1. Chemical composition of 5754 aluminum alloy (mass fraction %)
表1. 5754铝合金化学成分 (质量分数%)
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Figure 1. Effect of cold rolling deformation on mechanical property of 5754 alloy
图1. 5754合金冷变形量对性能的影响
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Figure 2. Effect of different annealing temperatures on tensile strength of 5754 alloy at different processing rates
图2. 不同退火温度对不同变形量下5754合金抗拉强度的影响
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Figure 3. Effect of different annealing temperatures on elongation of 5754 alloy at different processing rates
图3. 不同退火温度对不同变形量下5754合金延伸率的影响
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Figure 4. Effect of different annealing temperatures on tensile strength of 5754 alloy at different processing rates
图4. 不同退火温度对不同变形量下5754合金抗拉强度的影响
材冷变形储能结构是晶格畸变和各种晶格缺陷,如点缺陷、位错、亚晶界等,随着退火温度的升高,板材发生回复与再结晶,金属内部的自由能量增加,使得板材抗拉强度和屈服强度均降低,延伸率则升高。变形量越大的板材,晶格畸变能越高,板材的储能也越多,使合金再结晶温度降低,所以同一退火温度时变形量越大的板材变化趋势更大 [4] 。
3.3. 退火时间对5754合金的影响
选取变形量为60%时进行不同退火时间的板材,退火时间分别选定为2、3、4 h。从图4、图5可以看出,随着退火时间的增加,5754合金板材的抗拉强度和屈服强度逐渐降低,延伸率则不断增加,但变化幅度很小,相对于退火温度而言,退火时间对5754合金板材力学性能的影响较小,退火时间为2 h时基本就能得到足够稳定的性能。
5754合金板材在退火过程中主要发生回复与再结晶,且低温时回复起主要作用。回复是合金内部点缺陷和位错运动形成亚晶组织,随着退火温度和退火时间的增加,亚晶逐渐长大,呈现出明显的亚晶晶界 [5] 。如图6所示为60%变形量,退火温度为280℃,保温2 h的显微组织,晶粒发生了明显的回复,个别部分还发生了再结晶。
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Figure 5. Effect of different annealing temperatures on elongation of 5754 alloy at different processing rates
图5. 不同退火温度对不同变形量下5754合金延伸率的影响
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Figure 6. OM microstructure of 5754 alloy under 60% cold rolling deformation at annealing temperature of 280˚C and annealing time of 2 h
图6. 60%变形量下退火温度为280℃保温2 h的5754合金板材显微组织
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Figure 7. OM microstructure of 5754 alloy under 60% cold rolling deformation
图7. 60%变形量的5754合金板材显微组织
4. 分析与讨论
5754合金板材在经过冷变形时,晶粒沿着轧制方向被压扁、拉长,随着变形量的增加,合金内部不断发生塑性变形,导致位错密度也不断增加,位错反应和相互作用增强,结果产生固定割阶、位错缠结等障碍,使得合金继续产生变形变得困难,在力学上则表现为合金的抗拉强度和屈服强度增大。如图7所示为60%冷变形量5754合金板材的显微组织,可以看出,合金板材经过冷轧变形后,其等轴晶粒会沿着轧制方向被压缩而伸长,呈现出明显的纤维状的条纹 [6] 。
5754合金板材经过冷变形后,点缺陷、位错等结构缺陷密度增加,晶格畸变能增大,此时合金处于一种热力学不稳定的高自由能状态。在经过退火处理后,晶粒吸收了能量,当退火温度达到一定程度时,将出现新的等轴晶粒,合金内部发生了回复与再结晶。因此,文中5754合金板材在经过280℃/2 h退火处理后,在个别部分出现了细小晶粒,表明此时已经开始发生再结晶。当退火温度进一步升高时,晶粒将开始长大。因此,5754合金板材经过退火处理后强度降低,塑性增加,可以获得良好的机械加工性能。当退火时间在2 h以上时,力学性能虽有变化,变化很小,这主要是退火时间在2 h以上时,变形晶粒已经大部分被等轴晶粒取代,合金板材发生了明显的再结晶。
5. 结论
1) 5754合金板材加工硬化现象显著,随着冷变形量的增加,其抗拉强度和屈服强度不断增大,而延伸率则逐渐降低;
2) 随着退火温度的升高和退火时间的增加,5754合金的抗拉强度和屈服强度不断减小,而延伸率则逐渐增大,且相对于退火温度而言,退火时间对5754合金板材力学性能的影响较小;
3) 5754合金板材冷合金板材经过冷变形后,其等轴晶粒会沿着轧制方向被压缩而伸长,呈现出明显的纤维状的条纹。经280℃下保温2 h晶粒发生明显回复与再结晶。
基金项目
广西创新驱动重大专项(桂科AA17202011)、广西科技计划项目(桂科AA16380039)。