Al-Mg合金預變形以及熱處理對表面斜紋的影響

王能均

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

Mg 含量≥3.0%的Al-Mg 合金退火產品（如5A06、5182、5754等薄板、厚板），經氣墊爐或箱式爐退火后，在后續的精整矯直或用戶成形過程中，鋁材表面極易產生肉眼可見斜紋缺陷，影響產品外觀。典型的斜紋形貌見圖1。該斜紋現象主要與高Mg 合金變形機制和應力控制等特性有關，是鋁材加工中的普遍性問題。本文分別從斜紋產生機理，以及預變形、退火工藝優化方面，對斜紋控制技術進行了研究，最終消除該缺陷。

圖1 典型的斜紋形貌

1 實驗材料與實驗方法

本實驗采用某企業生產的Al-Mg合金，牌號為5000S，其具體成分見表1。實驗流程圖如下：半連續鑄造鑄錠→銑面去除粗晶層→均勻化處理→熱軋開坯→不經預先退火→50%變形率冷軋→箱式爐再結晶中間退火→50%變形率的成品冷軋。經冷軋后的樣品，在實驗室進行預變形以及模擬工業化條件退火，對最終樣品的屈服強度、抗拉強度、延伸率性能以及應力-應變曲線特征和晶粒組織進行了評價，最終指導工程化生產和工藝優化調整。

表1 合金成分（質量分數/%）

2 實驗結果與分析

通常情況下，鋁合金材料在室溫條件下塑性變形是均勻的，即應力增減，應變也隨之增減。但當這種對應關系出現異常，如出現應變增加但應力恒定時[1]，拉伸曲線上則體現為“屈服平臺”；如若出現應變增加但應力有增減時，拉伸曲線上則體現為“鋸齒狀”[2-5]。出現這種應力與應變的非正常對應的材料，則比較容易出現斜紋缺陷。

圖2 為容易出現斜紋缺陷的典型拉伸曲線圖，圖3 為典型的高Mg 鋁合金5A06-O 合金板材與LY12-CZ 合金板材的應力-應變曲線對比圖?？梢?，拉伸應力-應變曲線能明顯反應出材料變形特性。因此拉伸應變曲線形貌是本文采用的重要評價方法。

圖2 易出現“紋路”鋁合金應力-應變曲線

圖3 5A06-O、LY12-CZ板材曲線對比

從圖2可以看出，應力、應變的不穩定對應關系出現有先后和數量上的區別。屈服平臺在變形過程中僅出現一次，進入加工硬化階段后，鋸齒狀現象則表現為鋸齒形應力流動，在產品表面上反復出現。

屈服平臺產生原理為產品內部某處位錯突然掙脫溶質原子氣團束縛，并大量增殖而引起的應變軟化過程。因此，大量的位錯將滑移到產品表面形成斜紋。而隨后經過平臺區域之后，加工硬化效應將起主要作用，產品內的塑性變形將以宏觀均勻穩定的方式進行，屈服平臺造成的斜紋也將不再出現[6]。鋸齒形屈服現象的微觀機理與屈服平臺機理不同，由于可動位錯在運動過程中會被晶體中的障礙（如位錯、晶界、析出相等）所阻攔，所以其運動是不連續的。在可動位錯被阻攔的過程中，溶質原子將在障礙處聚集，并形成溶質原子氣團將可動位錯釘扎，在持續的外應力作用下，位錯將越過障礙，繼續向前運動，宏觀上表現為應力的跌落。因此，可動位錯與溶質原子之間反復的動態釘扎和脫釘過程， 就形成了應力-應變曲線上的鋸齒形應力流動[7]。因此，解決斜紋問題，可以從以下兩方面開展工作：

（1）利用屈服平臺的一次傳播特性，增加預變形控制，提前消耗傳播路徑，使其在后續加工時不再傳播，同時實現加工硬化和應變時效的綜合匹配。

（2）通過熱處理工藝優化，精確控制晶粒組織，減少位錯前行過程中的“障礙”數量，改善斜紋形貌，同時避免產生粗晶橘皮。

2.1 不同預變形對屈服平臺和鋸齒狀形貌的影響

冷軋樣品經490 ℃/30 min 后，分別經過0%、1%、2%、3%、4%、5%的預拉伸變形，然后再進行拉斷。其性能數據和性能變化曲線見表2和圖4，拉伸應力-應變曲線特征變化見圖5。

表2 不同拉伸率對材料性能的影響

圖4 拉伸率對材料屈服強度的影響

圖5 拉伸率對屈服平臺和鋸齒狀形貌的影響

從上述圖表可見，0%～5%范圍不同的拉伸率對各項性能指標影響表現不一致。拉伸對屈服平臺有明顯的改善作用，拉伸率越大，改善效果越明顯。但拉伸對鋸齒狀形貌沒有明顯的改善。

2.2 熱處理工藝對屈服平臺和鋸齒狀形貌的影響

分別開展退火溫度（490～550 ℃）、不同冷卻方式（爐冷、水冷）、不同的保溫時間熱處理工藝試驗，其性能數據見表3，應力-應變曲線特征見圖6。

表3 熱處理方案及結果

圖6 熱處理對各項指標的影響

從表3 和圖6 中可見，提高退火溫度，可以明顯降低屈服強度，而保溫時間對性能影響不大。本次實驗共3 種工藝出現了屈服平臺，即490 ℃/20 min+水冷、490 ℃/40 min+水冷和540 ℃/20 min+空冷；同時，在退火溫度≥510 ℃+水冷工藝下，屈服平臺消失。退火溫度≥540 ℃時，屈服平臺消失，且“鋸齒狀”消失，曲線光滑。圖7為不同工藝的晶粒組織形貌對比。

圖7 各工藝方案的晶粒尺寸

可見，退火溫度增加，拉伸曲線平臺區域消失，鋸齒狀現象趨于消失，但晶粒尺寸出現異常長大。粗大不均勻的晶粒組織造成強度、塑性均下降，材料均勻性變差，因此不宜過度提高退火溫度。

2.3 工業化驗證

通過上述實驗以及應力-應變曲線和晶粒的分析結果可知，退火、預變形工藝的單一調整并不能很好地解決表面紋路現象。因此課題組開展了工業化的綜合匹配驗證試驗，一方面適當地提高退火溫度，精確控制晶粒尺寸，另一方面適當提高預變形率，避免較大的加工硬化。

工業化驗證結果表明，預變形工藝+合理的退火工藝是較理想的工藝匹配，可以有效解決表面紋路問題。圖8為工藝優化前、后斜紋形貌對比。

圖8 工藝改進前、后的表面形貌

3 結論

（1）退火后的預變形對屈服平臺改善效果直接且顯著。在增加預變形的同時，會造成加工硬化、性能提升或成形困難等問題。故而采用預變形并不能較好地匹配屈服平臺改善與加工硬化之間的矛盾。

（2）提高退火溫度，屈服平臺甚至鋸齒現象可得到改善，但又會造成板材晶粒尺寸異常長大。所以單一的熱處理優化也不能較好地實現屈服平臺和粗晶組織的匹配改善。

（3）只有同時采用兩種工藝，合理進行匹配，才能有效改善斜紋。且該匹配的工藝已經通過工業化驗證，證明表面斜紋得到了徹底解決。