冷加工與退火工藝對(duì)5052鋁合金組織及力學(xué)性能的影響

徐 遙

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

5×××系鋁合金屬于變形鋁合金中的Al-Mg合金（Mg是其主要合金元素），是熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度，有較好的耐蝕性、加工性能與焊接性能，應(yīng)用較廣。5×××系鋁合金一般在退火、冷作硬化加穩(wěn)定化處理狀態(tài)下使用。冷變形的Al-Mg合金自由能升高而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)殒V含量較高，在室溫下長(zhǎng)期存放時(shí)，易產(chǎn)生“時(shí)效軟化”現(xiàn)象。采用100～200℃短時(shí)間加熱的穩(wěn)定化處理可消除這一現(xiàn)象，使顯微組織中的析出物呈細(xì)小微粒狀均勻地分布于晶內(nèi)和晶界上。穩(wěn)定化處理后的鋁合金材料力學(xué)性能穩(wěn)定且耐應(yīng)力腐蝕性能好[1]。

5×××系鋁合金中Mg含量范圍較寬，其中5A43合金中Mg的含量最低，為0.6%~1.4%，5A13合金中的Mg含量最高，達(dá)到9.2%~10.5%。常用變形Al-Mg合金中Mg的含量為0.8%~5.5%，Mg在Al中可形成β（Mg5Al8）相，起彌散強(qiáng)化作用[2]。除Mg外，5×××系鋁合金中還含有少量的Mn、Cr、Be、Ti等。

5052鋁合金是5×××系合金中的典型合金，Mg含量在2.2%~2.8%之間，屬于低Mg、熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度、耐蝕性及焊接性良好和易于加工成形等特點(diǎn)[2]。板材熱軋后，在冷加工率為50%時(shí)，合金再結(jié)晶溫度約為288℃[1]。合金中存在三種不同形態(tài)的化合物：一種為形狀較規(guī)則呈直邊多邊形的界面清晰的塊狀化合物（MgAl相），另一種為邊界呈曲線狀且界面模糊、形狀不規(guī)則的化合物（MgAlSi相），還有一種為針狀化合物（FeAl3相）[3]。

目前，大多數(shù)研究主要集中在5052合金高溫?zé)嶙冃芜^(guò)程中流變應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度的相互關(guān)系以及軋制和退火后的織構(gòu)演變[4-7]，而關(guān)于合金板材冷軋加工和退火熱處理對(duì)室溫力學(xué)性能、折彎成型性能和組織等的影響報(bào)道較少。故本文選取5052合金熱連軋板材，研究冷軋加工及退火熱處理對(duì)合金性能及組織的影響，為合金板材的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選取西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的“1+4”熱連軋5052鋁合金熱精軋坯料，合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將4.7 mm×400 mm×1 200 mm的板坯剪切為4.7 mm×400 mm×400 mm的 板 材，分 別 選 擇20%、30%、40%、50%、60%、70%冷加工率進(jìn)行冷軋，考察冷加工率對(duì)合金性能的影響，并分析合金的顯微組織。

將上述規(guī)格板坯冷軋至厚1.5 mm左右的板材，其冷加工率均≥70%。將冷加工后的板材分別在230℃、240℃、250℃、260℃、265℃、270℃、275℃、280℃、300℃和320℃溫度下退火，保溫3 h，出爐空冷，考察退火溫度對(duì)合金性能的影響，并觀察合金的顯微組織。

對(duì)冷加工至1.5 mm厚的板材取樣，在260℃、270℃、280℃溫度下退火，分別保溫1 h、2 h、3 h、4 h和5 h，出爐空冷，考察退火時(shí)間對(duì)合金性能的影響，并觀察合金的顯微組織。

選取以上試驗(yàn)材料，剪切成為25 mm×100 mm的板材（橫向），檢測(cè)合金的90°折彎性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同冷加工率對(duì)板材性能與組織的影響

5052鋁合金具有良好的塑性，在60%以上的冷變形下只有輕微的裂邊。從圖1中可以看出，隨著冷加工率的增加，合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高，延伸率降低。

隨著合金冷變形程度的不斷增大，金屬內(nèi)部的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)密度也越大，晶格畸變程度更加嚴(yán)重，形成了纖維狀加工組織，材料加工硬化程度提高，見(jiàn)圖2。

圖2 不同冷加工率下的合金金相組織

2.2 退火溫度對(duì)板材性能與組織的影響

隨著退火溫度的升高，合金強(qiáng)度也隨之降低，延伸率則逐漸升高。在260℃以下退火時(shí)，板材力學(xué)性能的變化不大；在260℃、265℃、270℃和275℃退火的板材的強(qiáng)度明顯低于在230~255℃下退火的板材，而其延伸率則大幅上升；在280℃、300℃、320℃退火時(shí)，合金的強(qiáng)度變化不大；而在300℃、320℃下退火，合金的性能已接近于完全退火狀態(tài)。退火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同退火溫度對(duì)合金力學(xué)性能的影響

圖4 為不同退火溫度下合金的金相組織。從圖中可以看出，在230~250℃/3 h條件下退火時(shí)，合金大部分為纖維狀加工組織，表明合金主要以靜態(tài)回復(fù)為主；在260~275℃/3 h條件下退火時(shí)，合金為纖維狀加工組織與再結(jié)晶組織并存，且再結(jié)晶組織為主要表現(xiàn)形式，合金的強(qiáng)度下降明顯，延伸率則明顯上升。當(dāng)冷變形程度達(dá)到50%時(shí)，合金的再結(jié)晶溫度約為288℃[1]。因此，在≥280℃條件下退火時(shí)，合金的纖維狀加工組織幾乎降為零，合金基本上已完全再結(jié)晶，其性能已接近于完全退火狀態(tài)。這可能是由于冷變形程度較大（≥70%）、加工變形組織畸變能升高，降低了合金再結(jié)晶溫度的緣故。

圖4 不同退火溫度下合金的典型金相組織

2.3 退火時(shí)間對(duì)板材性能與組織的影響

退火保溫時(shí)間對(duì)合金板材性能的影響沒(méi)有退火溫度大。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金的強(qiáng)度隨之下降，尤其是屈服強(qiáng)度下降更為明顯，而延伸率則逐漸上升。在相同的退火溫度下退火，保溫1 h，合金的強(qiáng)度變化比較分散，但大部分保持了較高的強(qiáng)度。在保溫時(shí)間超過(guò)1 h后，合金強(qiáng)度下降很快；在相同的退火溫度下保溫2~5 h，合金的強(qiáng)度變化平穩(wěn)，可見(jiàn)保溫時(shí)間對(duì)合金性能影響不大，見(jiàn)圖5。

圖5 不同退火溫度下不同保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

對(duì)于冷加工率相同的合金板材，在相同的退火溫度（≥260℃）下保溫1 h，由于時(shí)間短，合金來(lái)不及發(fā)生再結(jié)晶或只有少量的再結(jié)晶組織，殘留有較多的加工變形組織，因而其強(qiáng)度相對(duì)較高，即使在較高的溫度下（280℃）退火，也保持了很高的強(qiáng)度，且折彎性能良好。而在保溫2 h、3 h、4 h、5 h后，合金組織中殘留的加工變形組織大大減少，主要為再結(jié)晶組織，其強(qiáng)度相對(duì)下降較快，延伸率則相對(duì)上升。不同冷加工率的合金板材在相同的退火熱處理制度下，冷加工率越大，其再結(jié)晶組織的比例也越多，殘留的加工變形組織也就越少。這也說(shuō)明了冷變形程度越大，加工變形組織畸變能升高，合金再結(jié)晶溫度也越低。圖6為不同退火保溫時(shí)間下合金的典型金相組織。

圖6 合金不同退火保溫時(shí)間典型金相組織

2.4 退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)折彎性能的影響

2.4.1 退火溫度的影響

在（230~250）℃/3 h較低溫度下退火時(shí)，合金大部分為纖維狀的加工組織，主要以靜態(tài)回復(fù)為主，合金則保持較高的強(qiáng)度和較低的延伸率。合金中殘留有大量因加工變形形成的畸變組織，造成組織不均勻，降低了合金的塑性，因而在合金板材進(jìn)行90°折彎?rùn)z測(cè)時(shí)，出現(xiàn)裂紋或細(xì)裂紋。在（260~320）℃/3 h退火時(shí)，合金大部分為再結(jié)晶組織，屈服強(qiáng)度下降較快，延伸率上升，表現(xiàn)出較好的塑性，因而合金的折彎性能良好。表3示出了退火溫度對(duì)合金板材折彎性能的影響（保溫3 h）。

表3 退火溫度對(duì)合金板材折彎性能的影響

2.4.2 退火時(shí)間的影響

合金在260℃以上的溫度退火時(shí)，退火保溫時(shí)間對(duì)合金折彎性能影響不大。合金組織基本上為再結(jié)晶組織（參見(jiàn)圖6），其組織較為均勻，且有較好的塑性（參見(jiàn)圖5），因而表現(xiàn)出良好的折彎性能。

表4 不同退火溫度下保溫時(shí)間對(duì)板材折彎性能的影響

3 結(jié)論

（1）5052鋁合金板材具有良好的塑性，60%的冷變形也只能使其產(chǎn)生輕微的裂邊。隨著冷加工率的增加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨之提高，延伸率則逐漸降低。

（2）當(dāng)退火溫度≤250℃時(shí)，退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)合金室溫力學(xué)性能的影響不大；在退火溫度≥260℃時(shí)，隨著退火溫度的升高，合金強(qiáng)度降低，延伸率隨之逐漸升高。在此溫度范圍內(nèi)，當(dāng)退火保溫時(shí)間超過(guò)1 h后，屈服強(qiáng)度均小于130 MPa；保溫2~5 h后合金的強(qiáng)度變化平穩(wěn)。

（3）退火溫度≤250℃時(shí)，合金組織大部分為纖維狀的加工組織，板材進(jìn)行90°折彎?rùn)z測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋。在≥260℃時(shí)退火，合金組織大部分為再結(jié)晶組織，合金90°折彎無(wú)裂紋，說(shuō)明其折彎成型性能良好。