5052鋁合金板材寬度方向上組織性能均勻性研究

彭 建，王永建，朱莉莉，彭龍飛

（1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044；2.國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044）

5052鋁合金板材寬度方向上組織性能均勻性研究

彭 建1，2，王永建1，朱莉莉1，彭龍飛1

（1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044；2.國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044）

分析研究了5052鋁合金板材在寬度方向上的微觀組織、化合物相分布和力學性能的均勻性。對比板材的邊部和心部可以發現：板材邊部的微觀組織更多的是變形組織，而心部則是再結晶組織，因為微觀組織的差異，板材邊部的屈服強度和抗拉強度比板材心部分別高了25.15%和9.65%，延伸率降低了21.54%。寬度方向上的溫度差異沒有影響到化合物相的形態及分布，板材的邊部和心部都觀察到了三種彌散的化合物相。控制微觀組織的演化對于板材寬度方向上的均勻性更加重要。

板材；寬度方向；5052鋁合金；溫度差異

0 前言

隨著汽車船舶等行業的發展，對板材的性能需求進一步增大，不但要求板材在寬度上能夠滿足需要，同時還對板材的質量也提出了要求，特別是板材沿寬度方向上組織和性能的均勻性更是受到廣泛的關注[1]。隨著板材寬度的增加，其組織和性能在寬度方向上會出現較大的波動，常表現為邊部開裂翹曲等。Z.J.Li研究了軋制過程中鋁合金、銅合金和鋼中位錯密度的差異對板材不均勻性的影響，認為鋁合金和銅合金板材的不均勻性除了受變形織構的影響外，還強烈受位錯密度的影響，特別是鋁合金板材的不均勻的性受位錯密度的影響更為顯著[2]。Reza Riahifar利用有限元方法研究了鋁合金熱軋過程中軋件上應力場溫度場的不均勻性，認為隨著軋件寬度的增加其邊部的應力分布就越不均勻，邊部的幾何形狀也會根據變形條件的不同而呈現出或凸或凹的形狀[3]。基于前人的研究，本文分析了5052鋁合金14mm厚熱軋板材在寬度方向上的微觀組織、化合物相分布和力學性能的均勻性。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為西南鋁5052鋁合金14mm厚熱軋板材。該板材初始寬度為1320mm，厚度為400mm，經銑面、多道次軋制后的板材寬度和厚度分別為1200mm、14mm，每道次壓下量在20%到30%之間。精軋完成后板材溫度為320℃左右。其厚度變化趨勢如圖1所示。

在5052鋁合金板材寬度方向上按圖1所示等距離取七個點，再依次在這七個點上取如圖2所示的拉伸試樣，在MTS萬能試驗機上進行室溫力學性能實驗，同時在上述七個點依次取金相試樣，觀察其ND面的金相組織。為了綜合分析板材寬度方向上的不均勻性，在本文中也測量了上述七個位置的電導率和維氏硬度。

圖1 5052鋁合金寬度方向上厚度差異

圖2 拉伸試樣圖示

2 實驗結果與討論

從圖1中可以看到，5052鋁合金14mm厚熱軋板材厚度的最大值和最小值分別為13.999mm、13.987mm，相差0.012mm，由于其厚度差異太小，即可以認為板材在寬度方向上厚度一致。

圖3 5052鋁合金寬度方向不同位置TD面顯微組織

圖3為5052鋁合金14mm厚熱軋板寬度方向上不同位置顯微組織。經過多道次的軋制，可以看到5052鋁合金的晶粒及化合物相沿軋制方向呈流線型分布，其晶粒尺寸分布統計如圖4所示，晶粒尺寸大多分布在150μm ～ 200μm之間，比較集中在180μm左右。在圖3c、3d、3e和3f中可以看到大量的等軸晶粒存在，這是因為熱軋板終軋溫度在320℃左右發生了再結晶，使得原本狹長的變形組織變為細小等軸的再結晶組織。同時由圖3a及圖3g可以看到板材的兩個邊部處的晶粒更加細長，是典型的軋制組織。這種狹長的晶粒是在軋制變形過稱中產生的變形組織而非軋制完成后形成的再結晶組織[4～5]。

一般認為，熱軋板帶材橫向溫度分布總體上呈現中間高兩邊低的趨勢。中間部分溫度變化梯度較小，邊部變化梯度較大。軋件厚度一定時，寬度越大，軋件的橫向溫差也越大[6]。正是由于在板材寬度方向上存在溫度的差異，使得板材邊部的變形組織沒有足夠的溫度發生再結晶，保持了原本狹長的纖維狀晶粒[7]。晶粒的形核及長大是一個熱激活的過程，只有當變形組織內部儲存的能量超過了發生再結晶的激活能，變形組織才會有可能向再結晶組織轉變[8]。

圖4 5052鋁合金寬度方向不同位置TD面晶粒尺寸統計

同時從圖3和圖4中可以明顯的看到，板材心部的晶粒尺寸相對于邊部來說更加不均勻，很多細小晶粒分布在晶界周圍。這些細小的晶粒是在再結晶過程中生成的，其形成原因是新形成的再結晶組織沒有充分的時間長大軋件的變形過程就停止了，沒有繼續變形則軋件內部的位錯密度不能繼續增加，即再結晶晶粒長大失去了驅動力，而且軋件溫度在變形結束后迅速的下降，也給晶粒繼續長大增加了阻力。

圖5及表1所示為5052鋁合金寬度方向上不同位置的室溫力學性能。圖5中可以看到板材沿寬度方向上不同位置的屈服強度及抗拉強度都呈現出邊部較大而心部較小的規律。1#和7#的屈服強度和抗拉強度均達到了118MPa和202MPa，而板材心部的屈服強度大多在89MPa，比邊部低了25%左右。由于軋制變形過程中儲存能的累積，堆積在晶界處的的位錯密度很高，容易引起塞積。軋制變形結束后，隨著板材邊部和心部溫度差異的產生，板材邊部的變形組織沒有足夠的激活能發生再結晶，即沒有發生軟化的過程，因此板材邊部的強度相應的提高了而塑性下降[9～10]。隨著板材寬幅的增大，板材寬度方向上的溫差導致邊部和心部晶粒形態及尺寸有差異，從而影響了板材的整體力學性能，使得板材邊部的屈服強度及抗拉強度均較高，而延伸率較低。

表1 5052鋁合金寬度方向不同位置縱向拉伸力學性能

圖5 5052鋁合金寬度方向不同位置縱向拉伸力學性能圖

圖6所示為上述對應位置的維氏硬度。每個位置測試10次后取平均值。從圖中可以看到板材邊部的硬度值大于板材心部，與每個位置的力學性能相符合。

圖6 5052鋁合金寬度方向上的硬度分布

圖7為5052鋁合金寬度方向上不同位置化合物相的分布及形態，在圖7所有試樣的金相觀察視場中明顯存在三種不同形態的化合物相：一為形狀較規則、呈直邊多邊形的界面清晰的塊狀化合物，另一種為邊界呈曲線且界面模糊的形狀不規則化合物，還有一種是針狀化合物。第一種化合物相的判斷是基于組織觀察時看到的黑線勾勒出的直線邊的多邊形化合物，以及還可以看到此類化合物相被腐蝕脫落后在基體上留下的多邊形黑色坑。這種化合物相的體積通常較大。第二種形狀不規則化合物相是根據金相組織中大量存在邊界呈曲線、界面模糊、形狀不規則的黑色腐蝕坑而確定。由于在高氯酸酒精溶液中電解拋光時不銹鋼陰極面積較大且試樣保持固定，電場比較穩定，加上鋁基體的化學腐蝕通常會受晶體學方向的影響，所以這種形狀不規則、邊界毛糙且輪廓多為曲線的黑色腐蝕坑可能是被腐蝕掉的化合物本身的形狀。部分試樣中還發現了數量很少的針狀和條棒狀化合物，長度尺寸通常比前述兩種形狀規則的化合物大，長寬比在10倍以上[11]。

圖7 5052鋁合金寬度方向TD面不同位置的 化合物相分布及形態

化合物相的種類及分布可以用電導率大小定性分析。元素固溶在鋁合金基體中將減小材料的電導率；相反，化合物相析出量越多，材料的電導率就越高[12]。因此可以通過電導率指標反映化合物相析出量或固溶度的變化趨勢。表2所示為5052鋁合金板材寬度方向上不同位置電導率，可以看出5052鋁合金板材寬度方向上不同位置的電導率基本一致。隨著板材寬度的增加，板材邊部和心部的溫度差異也越來越大，同時其邊部和心部的室溫力學性能也表現出了較大的波動，總體表現為邊部的強度高于心部，而心部的塑性又高于邊部。但是通過電導率測試可知，板材寬度方向上的溫度差異并沒有影響到其化合物的析出種類及分布形態等。

表2 5052鋁合金寬度方向不同位置電導率

3 結論

（1）隨著板材寬度的增加，其邊部和心部的微觀組織表現出較大的差異。板材邊部的微觀組織更多的是變形組織，而心部則是再結晶組織。邊部和心部微觀組織的差異是由于其溫度差異引起的。板材邊部的溫度在變形結束后下降的較快，沒有足夠的溫度發生再結晶。

（2）因為板材邊部沒有發生再結晶軟化過程，位錯塞積，所以其強度比心部高，而延伸率則比心部低。

（3）板材邊部和心部的溫度差異只影響到了微觀組織的轉變。邊部因為溫度低沒有足夠的能量發生再結晶而保持了變形組織，板材心部的顯微組織則由于溫度高轉變成為再結晶組織。通過電導率測試可以發現其寬度方向上電導率沒有變化，即板材邊部和心部的溫度差異沒有改變化合物相的析出和分布。

[1] 王祝堂，田榮璋. 鋁合金及其加工手冊[M]. 長沙:中南大學出版，2000

[2] Z.J. Li, G. Winther, N. Hansen. Anisotropy in rolled metals induced by dislocation structure[J]. Acta Materialia, 2006, 54: 401–410

[3] Reza Riahifar, Siamak Serajzadeh. Three-dimensional model for hot rolling of aluminum alloys[J]. Materials and Design, 2007, 28:2366–2372

[4] Tetsuo Sakai, Syuichi Hamada, Yoshihiro Saito. Improvement of the r-value in 5052 aluminum alloy sheets having through-thickness shear texture by 2-pass single-roll drive unidirectional shear rolling [J]. Scripta mater, 2001, 44:2569–2573

[5] S. Mahabunphachai. Investigations on forming of aluminum 5052 and 6061 sheet alloys at warm temperatures[J]. Materials and Design, 2010, 31:2422–2434

[6] 張杰，李娜，曹建國，等. 熱軋帶鋼橫向溫度研究方法及測量分析[J]. 北京科技大學學報，2007,29,140-143

[7] Reza Riahifar, Siamak Serajzadeh. Three-dimensional model for hot rolling of aluminum alloys[J]. Materials and Design, 2007, 28:2366–2372

[8] Tian Yi, Huang Liang, Ma Huijuan, Li Jianjun. Establishment and comparison of four constitutive models of 5A02 aluminium alloy in high-velocity forming process[J]. Materials and Design, 2014, 54:587–597

[9] Y. Estrin. Dislocation theory based constitutive modelling: foundations and applications[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 81:33–39

[10] QUAN Guo zheng, LIU Ke wei, ZHOU Jie, CHEN Bin. Dynamic softening behaviors of 7075 aluminum alloy[J]. Trans.Nonferrous Met.Soc.China, 2009, 19:537-541

[11] 陳文華. 5052鋁合金鑄軋工藝及組織研究[D]. 東北大學，2010

[12] Ch. Gras, M. Meredith, J.D. Hunt. Microstructure and texture evolution after twin roll casting and subsequent cold rolling of Al–Mg–Mn aluminium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 169:156–163

（編輯：張為賓）

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Investigation of Homogeneity of Microstructure and Mechanical Property in Width Direction of 5052 Aluminum Alloy Sheet

PENG Jian1，2，WANG Yong-jian1，ZHU Li-li1，PENG Long-fei1
(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2.National Engineering Research Center for Magnesium Alloys,Chongqing 400044, China)

The microstructure and mechanical property in width direction of 5052 aluminum alloy sheet was investigated. The experimental results showed that deformation microstructure was retained in the edge region of the 5052 aluminum alloy sheet while recrystallized structure occurred in the central region, which resulted in yield strength and tensile strength of the edge region of the 5052 aluminum alloy sheet was higher than that in the central region by 25.15% and 9.65% respectively. In contrast, the elongation was reduced by 21.54%. The difference of temperature along the width direction of the sheet had negligible effect on the distribution and shape of the precipitated phase. The three kinds of precipitated phases could be observed in the edge region and cener region of the 5052 aluminum alloy sheet. It is more valuable to control the evolution of microstructure for the homogeneity along the width direction of 5052 aluminum alloy sheet.

sheet; width direction; 5052 aluminum alloy; difference of temperature

TG146.21

文章編號：1005-4898（2014）05-0004-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.01

國家科技支撐計劃（2012BAF09B04）和國際科技合作專項（2011DFR50950）資助

彭建（1969-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為輕金屬材料制備及加工工藝。

2014-04-21