5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機理研究

吳海鵬，王正曦，麻彥龍，杜棋忠，林子皓

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054；2.重慶海德世拉索系統(集團)有限公司，重慶 401120)

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5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機理研究

吳海鵬1，王正曦1，麻彥龍1，杜棋忠2，林子皓2

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054；2.重慶海德世拉索系統(集團)有限公司，重慶 401120)

針對5182鋁合金軋制板材截面亮線組織現象，通過金相顯微技術、顯微硬度技術、掃描電子顯微技術(SEM)及電子背散射衍射技術(EBSD)，表征了板材截面不同區域的微觀組織結構，并結合板材的生產工藝過程，分析并討論了該亮線組織的形成機理及其對板材力學性能的影響。研究結果表明：5182鋁合金軋制板材截面亮線組織的產生與板材冷變形程度及穩定化退火工藝有關，板材表層區域變形量比中心區域變形量大且穩定化退火溫度較低或保溫時間較短，造成β相(Mg5Al8、Mg2Al3)在表層區域更容易析出，且沿晶界呈連續網狀分布，而中心區域β相數量較少，且未形成連續網狀，結果在軋制板材截面上形成亮線金相組織。

5182鋁合金；H32狀態；軋制；亮線組織

隨著汽車工業的快速發展和家用汽車保有量的持續增加，汽車輕量化成為汽車工業節能減排的重要手段。汽車車身是汽車上材料用量最大的部件，約占汽車總質量的30%，因此汽車車身的輕量化對于減輕車重、提高燃油效率具有重要意義。鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性好、易于加工和回收等優點，成為汽車上應用最廣泛的輕量化材料[1]。目前，汽車車身用鋁合金的研究主要集中在2XXX(Al-Mg-Cu)、5XXX(Al-Mg)和6XXX(Al-Mg-Si)三大系列上[2]。5182鋁合金屬于5xxx系，具有中等強度，且加工性能和焊接性能良好，在成形性和抗腐蝕性方面具有類似普通鋼板的優點，常用作汽車內襯板和其他形狀復雜部件的加工材料。該系鋁合金不能通過熱處理強化，其主要強化手段為固溶強化和加工硬化[3-4]。

本文針對汽車車窗玻璃升降器導軌用5182鋁合金軋制板材截面亮線組織現象，通過金相顯微技術、顯微硬度技術、掃描電子顯微技術(SEM)及電子背散射衍射技術(EBSD)，表征了板材截面不同區域的微觀組織結構，并結合板材的生產工藝過程，分析和討論了該亮線組織的形成機理及其對板材力學性能的可能影響。研究結果不僅為板材軋制和熱處理工藝的制定提供了理論參考，還為汽車零部件企業產品質量控制提供了技術支撐。

1 實驗過程

本文的研究對象為t-1.4 5182-H32鋁合金軋制板材，其標稱化學成分如表1所示。該鋁合金板材生產工藝流程(標稱)：熔鑄→銑面→均熱→熱軋(粗軋)→熱軋(精軋)→冷軋→穩定化退火→縱裁→包裝。在成品板材上切取大小10 mm×10 mm×1.4 mm試樣，取樣方式及觀察面如圖1所示。

表1 5182鋁合金化學成分

RD表示軋制方向；TD表示軋件的橫向；ND表示軋制面的法向圖1 板材軋制變形及取樣方式示意圖

為觀察軋制板材截面微觀組織，試樣從240#粒度的金相水磨砂紙逐級研磨至3000#粒度，后進行機械拋光，拋光劑為0.5 μm Al2O3懸濁液，去離子水清洗并用冷風吹干待用。將機械拋光的試樣在Keller腐蝕試劑(HF 2 mL，HCl 3 mL，HNO35 mL，H2O 190 mL)中浸蝕60 s，然后在30%HNO3(體積分數)中漂洗5 s除去表面的腐蝕產物，之后用去離子水清洗，冷風吹干制成金相試樣。將機械拋光的試樣進行電解拋光制備可供EBSD分析的試樣。拋光電解液為10%HClO4+90% C2H5OH(體積分數)，拋光電壓為14V，時間為45s，電解液溫度控制在(-25±3)℃，酒精漂洗，冷風吹干。使用LECAM 5000金相顯微鏡和Zeiss Sigma HD場發射掃描電子顯微鏡(配備有EBSD探頭)觀察分析試樣的微觀組織結構。用HDS-1000TM數字顯微硬度計對浸蝕后的試樣沿截面ND方向進行顯微硬度測定，載荷為0.2 kg，保載時間為10 s，測量點間隔0.1 mm。

2 實驗結果

2.1 光學顯微組織觀察

5182鋁合金軋制板材RD-ND面金相照片如圖2(a)所示，可以觀察到軋制板材經浸蝕后RD-ND面中心區域呈現出一條白亮帶，白亮帶兩側表層區域較為暗淡。圖2(b)為軋制板材表層區域局部放大金相照片，可以明顯觀察到晶界，晶粒沿RD方向呈纖維狀分布。圖2(c)為軋制板材中心區域局部放大金相照片，未觀察到明顯晶界，表層區域及中心區域微觀組織中均分布有大小不一的腐蝕坑。

2.2 顯微硬度測定

為進一步探究軋制板材表層區域和中心區域的差異，沿板材截面ND方向進行顯微硬度測定。顯微硬度測定值如圖3所示，顯微硬度值沿板材厚度方向呈“V”形分布，中心區域顯微硬度明顯低于表層區域顯微硬度。

2.3 掃描電鏡觀察

采用場發射掃描電鏡進一步觀察軋制板材經浸蝕后表層區域和中心區域微觀組織結構的差異。圖4(a)為軋制板材浸蝕后的SEM，可測量出軋制板材的中心區域(白亮帶)寬度約為238 μm。圖4(b)為圖4(a)中A方框區域的局部放大圖，更為清晰地顯示了中心區域和表層區域微觀形貌的差異。在后續討論中可知圖中的小坑主要是由浸蝕過程中β相(Mg2Al3、Mg5Al8)優先腐蝕所留下的。在更高的放大倍數下可以看出：表層區域組織中有大量腐蝕小坑且主要沿晶界連續分布(圖4(c))，而中心區域中小坑的數量明顯減少且呈彌散分布(圖4(d))。需要指出的是，這些腐蝕坑的數量和分布表明了不同區域析出物的數量和分布。

圖2 5182鋁合金軋制板材截面金相照片

圖3 軋制板材截面方向上顯微硬度值分布

2.4 EBSD分析

采用EBSD技術進一步觀察分析軋制板材表層和中心區域的晶粒形貌和取向分布。圖5(a)、(b)分別為表層和中心區域的IPF圖。圖5(c)、(d)分別為表層和中心區域的晶界分布圖。從IPF圖中可知：軋制板材整個截面上的晶粒呈纖維狀分布，為典型的冷變形組織。中心區域的晶粒尺寸稍大于表層區域晶粒尺寸，表明中心區域的變形量略小于表層區域。從晶界分布圖中可知：軋制板材整個截面上晶粒內部分布著大量小角度晶界，表明軋制板材在退火過程中尚未發生明顯再結晶。

圖4 軋制板材浸蝕處理后SEM照片

圖5 軋制板材截面EBSD圖(黑色為大角度晶界，>15°; 灰色為小角度晶界，2°～15°)

3 分析與討論

3.1 中心亮線形成的光學本質

從金相照片(圖2(a))中可以明顯觀察到：軋制板材中心位置存在一條白亮帶，這是由于軋制板材不同區域微觀組織對光線反射能力不同所造成的。本實驗采用化學浸蝕的方法來顯示金相組織。化學浸蝕過程也是一個化學/電化學溶解過程，由于各相在電解質溶液中具有不同的電極電位，可形成許多微電池，電位較低的相充當微電池的陽極，在電解液中迅速溶解，溶解處呈現凹陷或溝槽，而電位較高的另一相成為陰極，未發生腐蝕，保持原光滑平面[5]。從透鏡內垂直照射到試樣表面的平行光將發生反射和吸收，如果試樣表面是鏡面，光線全部原路返回，最后成像成為亮點；如果試樣表面有不平的溝槽，部分光線反射后不能進入物鏡，這些區域所成的像較為暗淡。結合軋制板材浸蝕后表層區域和中心區域微觀組織形貌(圖4(c)和(d))，表層區域溝壑狀形貌極大地增加了表面粗糙度，中心區域則比較平整。溝壑狀形貌的表面對光線的反射能力較差，平整的表面對光線的反射能力較強。因此軋制板材中心亮線形成的原因是表層和中心區域微觀形貌對光線反射能力的不同，進而在通過肉眼或者金相顯微鏡觀察軋制板材金相組織時觀察到中心區域較為明亮，表層區域較為暗淡。

3.2 中心亮線形成的組織因素

軋制板材浸蝕后表層區域和中心區域微觀形貌的差異造成對光線反射能力的不同，進而在軋制板材的截面呈現出中心亮線的光學現象，而化學浸蝕后組織形貌的差異與其組織結構差異存在聯系。5182鋁合金組織中的細小顆粒狀金屬間化合物主要為β相(Mg5Al8、Mg2Al3)[6-7]。5XXX系鋁合金中的Mg通常處于過飽和狀態，在室溫下相當穩定。如果將合金進行一定程度的變形，并在一定溫度下退火，則固溶體中將會析出β相，β相的時效強化效果不大而且易于沿晶界或剪切帶析出，形成β相網絡[8-9]。Al-Mg合金中β相的腐蝕電位為-1.15 V，α固溶體的腐蝕電位為-0.82 V，浸蝕過程中β相對于基體α(Al)來說是陽極，優先發生腐蝕[8]，這解釋了圖2和圖4中腐蝕小坑的形成原因。因此，中心亮線產生的根本原因是表層及中心區域微觀組織結構的差異，即β相在表層區域更容易析出且沿晶界形成連續網狀，而中心區域β相數量較少且未形成連續網狀。

相關研究表明[10]：Al-Mg合金中析出相β沿晶界沉積形成網狀結構的傾向與冷變形量、合金成分、穩定化退火工藝等多種因素有關，并且隨著冷變形程度的增大、Mg含量的增高、穩定化退火溫度的降低及時間的縮短，這種網狀的形成傾向也愈強烈。結合軋制板材EBSD圖(圖5)分析可知：表層區域晶粒尺寸略小于中心區域的晶粒尺寸，且更加扁平細長，表明中心區域的變形量略小于表層區域。當穩定化退火溫度較低時，析出相極易沿位錯、雜質聚集的晶界處析出，隨著析出物的聚集，進一步加快析出相的沉積，最終形成連續分布沉淀網絡。冷加工還會加速析出相的沉積，進一步加快了β相沿晶界連續析出的速度。隨著穩定化退火溫度的升高，析出相優先在亞晶界與晶界的交切點上沉積，沿晶界形成沉淀網狀的傾向降低，且在晶粒內更加均勻分布[11]。可見，軋制板材由于變形程度的不均勻及穩定化退火溫度低或者退火時間短等因素導致在表層區域析出相數量大于中心區域析出相數量，并且析出相主要沉積于表層區域晶界部位，進而造成軋制板材浸蝕后表層和中心區域微觀形貌的差異。當通過肉眼或者金相顯微鏡觀察軋制板材金相組織時，由于光學原因，使得觀察到的中心區域組織較為明亮，表層區域組織較為暗淡。

3.3 亮線組織對板材性能的影響

史朝陽等[12]研究了退火溫度對5182車用鋁合金冷軋板的組織及性能的影響，結果表明：隨著退火溫度的升高屈服強度和抗拉強度逐漸降低，當退火溫度在300 ℃～325 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別由原來240 MPa、379 MPa快速降低到114 MPa、258 MPa；同時應變硬化指數也大幅度提高，250 ℃以后冷軋板逐漸開始發生再結晶，當退火溫度達到335 ℃ 并保溫30 min后，冷軋板材已經發生了完全再結晶，材料拉伸沖壓性能得到了很大改善。王孟君等[13]研究了340 ℃～400 ℃退火溫度對5182鋁合金冷軋板組織與性能的影響，結果表明：隨著退火溫度的升高和保溫時間的延長，材料的抗拉強度逐漸減低，延伸率逐漸升高。

圖5 EBSD組織結構分析表明：軋制板材整個截面上的晶粒呈纖維狀分布，晶粒內部有大量小角度晶界，為典型的冷變形組織。因材料尚未發生再結晶，所以保留了一定程度的加工硬化效果，其冷沖壓成型性能有所下降。β相優先在表層區域組織中沿晶界析出，一定程度上增加了板材變形過程中晶界斷裂的傾向[14]。同時β相電極電位明顯低于基體，容易與周圍基體形成微小原電池而發生陽極溶解，增加了合金晶間腐蝕和剝蝕敏感性[15-16]。在滿足一定的機械強度前提下，為進一步提高其成型性能，可在板材生產制造過程中適當提高穩定化退火溫度或適當延長穩定化退火時間，并在服役過程中做好相關防腐蝕處理以提高服役壽命。

4 結論

1) 5182鋁合金軋制板材整個截面上晶粒呈纖維狀分布，為典型的冷變形組織；與表層區域組織相比，中心區域組織的晶粒略粗大，顯微硬度略低，晶界析出物的數量較少，浸蝕后呈現亮線組織；板材表層區域的變形量比中心區域大、穩定化退火溫度較低或保溫時間較短是造成出現亮線組織的根本原因。

2) 由于β相在板材表層沿晶界呈連續網狀分布，增加了板材晶間腐蝕和剝落腐蝕的敏感性，因此可通過適當提高穩定化退火溫度或適當延長穩定化退火時間來獲得更加均勻的微觀組織。

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(責任編輯 何杰玲)

Root Cause for Lighted Structure on the Cross Section of Rolled 5182 Aluminum Alloy plate

WU Hai-peng1, WANG Zheng-xi1, MA Yan-long1, Mori Kichu2, LIN Zi-hao2

(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Chongqing HI-LEX Cable System Group Co., Ltd.,Chongqing 401120, China)

The root cause for lighted structure developed on the cross section of rolled 5182 aluminum alloy plate was investigated through metallographic microscopy, micro-hardness testing, scanning electron microscopy (SEM) and electron back scattered diffraction (EBSD). Based on microstructure in different areas of the plate section and the plate production process, we analyzed and discussed the formation mechanism of the bright line and its effect on mechanical behavior of the plate. The results show that the lighted structure is related to the cold-rolling technology and the stabilizing annealing process. The inhomogeneous deformation and unreasonable annealing process led to increased precipitation of β (Mg5Al8、Mg2Al3) phase at the grain boundary in the near-surface region of the plate. The difference in microstructure between the near-surface region and the central region of the plate resulted in the lighted structure.

5182 Aluminum alloy; H32 State; rolling; lighted structure

2017-01-15

國家自然科學基金資助項目(51301214)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2016jcyjA0490)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ1400928)

吳海鵬(1993—)，男，山西平遙人，碩士研究生，主要從事輕合金腐蝕與防護研究，E-mail:2297379864@qq.com；通訊作者 麻彥龍(1978—)，男，甘肅慶陽人，博士，教授，主要從事輕合金腐蝕與防護研究，E-mail:myl@cqut.edu.cn。

吳海鵬，王正曦，麻彥龍，等.5182鋁合金軋制板材截面亮線組織形成機理研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(4):58-63.

format：WU Hai-peng, WANG Zheng-xi, MA Yan-long,et al.Root Cause for Lighted Structure on the Cross Section of Rolled 5182 Aluminum Alloy plate[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):58-63.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.010

TG335.12

A

1674-8425(2017)04-0058-06