黎 勇

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 九龍坡 401326）

5052鋁合金單雙道次壓縮動(dòng)態(tài)與靜態(tài)軟化行為探討

黎 勇

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 九龍坡 401326）

實(shí)驗(yàn)采用Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)5052鋁合金進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s，研究了該合金動(dòng)態(tài)軟化特征和靜態(tài)軟化特征,變形溫度330～480℃，應(yīng)變速0.005～0.05/s。結(jié)果表明，5052鋁合金在熱壓縮過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)軟化和靜態(tài)軟化，首道次壓下量顯著地影響了道次間的靜態(tài)軟化率。結(jié)合流變應(yīng)力曲線和顯微組織分析，揭示了動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)回復(fù)，而靜態(tài)軟化主要是靜態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。

5052鋁合金；動(dòng)靜態(tài)軟化；軟化率；回復(fù)與再結(jié)晶

0 前 言

5052鋁合金屬于Al-Mg系熱處理不可強(qiáng)化型防銹鋁合金，具有良好的成形性、可焊性及抗蝕性，并且與1系和3系相比，該合金具有較高的強(qiáng)度。因此，它在交通運(yùn)輸、航空航天、電子通訊和輕工建材等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1～3]。

為了使金屬軋制過程中具有合適的流動(dòng)應(yīng)力和延性，大多數(shù)工業(yè)上的熱成形選用多道次變形軋制工藝。然而鋁合金在多道次熱軋過程實(shí)際生產(chǎn)中，不可避免地存在變形道次間的停歇。在此停歇過程中，合金內(nèi)部組織和性能都將發(fā)生變化，從而影響后續(xù)變形并表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，這種力學(xué)行為通常表現(xiàn)為流變應(yīng)力下降，即道次間靜態(tài)軟化[4]。道次間靜態(tài)軟化的主要機(jī)制包括靜態(tài)回復(fù)（SRV）、靜態(tài)再晶界（SRX）以及亞動(dòng)態(tài)再晶界（MDRX）[6、10]。動(dòng)靜態(tài)軟化過程與熱軋產(chǎn)品的組織性能有直接聯(lián)系，在實(shí)際生產(chǎn)中必須考慮該因素。

因此，針對(duì)變形過程中動(dòng)靜態(tài)軟化行為，對(duì)5052鋁合金分別進(jìn)行了單道次和雙道次間隙式等溫?zé)釅嚎s模擬試驗(yàn)。結(jié)合不同溫度、應(yīng)變速率和首道次應(yīng)變量等壓縮變形條件下的流變應(yīng)力曲線和相應(yīng)顯微組織，探討了5052鋁合金在熱軋模擬過程中動(dòng)態(tài)和靜態(tài)軟化機(jī)制，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料采用西南鋁業(yè)提供的經(jīng)熔鑄工藝生產(chǎn)的5052鋁合金半連續(xù)鑄錠，其名義成分見表1。熱模擬實(shí)驗(yàn)前，鑄錠在SX2-512箱式電阻爐中進(jìn)行470℃×2h、空冷均勻化處理。合金錠均勻化退火處理后，采用車削加工最終獲得φ10mm×12mm的小圓柱體熱模擬壓縮試樣。

表1 5052鋁合金的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)。為減少外摩擦的影響，試樣端面采用石墨潤(rùn)滑劑保持良好的潤(rùn)滑條件。壓縮變形溫度330～480℃（加熱速度5℃/s，壓縮前保溫30s），應(yīng)變速率0.005～0.05/s。單道次和雙道次壓縮變形總應(yīng)變量都為1.10，為了考察首道次應(yīng)變量對(duì)道次間靜態(tài)軟化的影響，雙道次壓縮變形時(shí)首次應(yīng)變量ε1分別采用0.18和0.41；道次間停留時(shí)間Δt為30s和60s。變形結(jié)束后2s內(nèi)立即將試樣淬火，以盡可能地將熱變形組織保存下來。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單道次壓縮動(dòng)態(tài)軟化特征

5052鋁合金等溫壓縮時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示?？梢钥闯?，5052鋁合金試驗(yàn)條件表現(xiàn)出典型熱變形流變特征，即在等溫壓縮變形過程中流變應(yīng)力先隨應(yīng)變量的增加而迅速上升，達(dá)到峰值后流變應(yīng)力不再隨應(yīng)變量的增加而產(chǎn)生顯著的變化，呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變軟化。

同時(shí)，隨著變形溫度的升高，合金的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力降低；隨著應(yīng)變速率的增加，合金的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力提高。由此可見，5052鋁合金屬于正應(yīng)變速率敏感材料。此外，隨著變形溫度降低和應(yīng)變速率的增加，達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變所需的應(yīng)變量增大。這是由于在較低變形溫度和較高應(yīng)變速率條件下，螺位錯(cuò)的交滑移與刃位錯(cuò)的攀移難以充分進(jìn)行，交滑移和攀移所提供的軟化程度較小，故出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)應(yīng)力相對(duì)滯后，也就是所需的應(yīng)變量增加。

根據(jù)Verlinden和Wouters[7]等人提出的“相對(duì)軟化系數(shù)RS”概念分別為峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)力后發(fā)生Δε=0.25真應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。相對(duì)軟化系數(shù)RS＞0對(duì)應(yīng)著合金組織的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DRX)軟化行為；RS＜0表明加工硬化速率大于動(dòng)態(tài)軟化速率；而RS=0則視為動(dòng)態(tài)回復(fù)(DRV)軟化行為。因此，可以看到，無論變形溫度和應(yīng)變速率如何變化，5052鋁合金流變應(yīng)力曲線相對(duì)軟化系數(shù)均趨近于零值，即該合金主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制。

圖1 5052鋁合金單道次壓縮變形下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 雙道次壓縮靜態(tài)軟化特征

圖2為5052鋁合金雙道次間隙式等溫壓縮變形流變應(yīng)力曲線。5052鋁合金在雙道次等溫壓縮變形道次間隙時(shí)間內(nèi)均發(fā)生了不同程度的軟化，即靜態(tài)軟化。各道次中的動(dòng)態(tài)軟化過程與單道次等溫壓縮變形基本相似。林啟權(quán)[4]等和蔣福林[5]等分別研究了2519、3014鋁合金熱壓縮過程中靜態(tài)軟化過程，結(jié)果一致表明，隨著變形溫度的升高、應(yīng)變速率的增加、以及道次間停留時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致道次間軟化程度增加。

對(duì)比圖2c和圖2d可知，5052鋁合金在相同變形溫度、應(yīng)變速率和道次間隙時(shí)間下，增加應(yīng)變量有助于道次間的靜態(tài)軟化；并且，在相同應(yīng)變速率變形時(shí)，首道次應(yīng)變量對(duì)靜態(tài)軟化的效果更為顯著，即便是在道次間隙時(shí)間較短且變形溫度較低的情況下（如圖2a和圖2b）。因此，首道次應(yīng)變量對(duì)5052鋁合金的靜態(tài)軟化起著極其重要的作用，稱之為形變誘導(dǎo)軟化。

為進(jìn)一步量化靜態(tài)軟化程度，Raohe和Prasad[9]等人提出了軟化率（即部分軟化）。本文采用應(yīng)力偏移法來評(píng)價(jià)靜態(tài)軟化特征，即：FS=(σm-σ2)/ (σm-σ1)，σ1、σ2分別為第一道次與第二道次等溫壓縮變形時(shí)的屈服應(yīng)力值(ε=0.002)；σm為第一道次卸載前的流變應(yīng)力值。表2列出了不同應(yīng)變條件和不同道次間隙時(shí)間下5052鋁合金軟化率的計(jì)算值。與圖2得出結(jié)論一致，靜態(tài)軟化率隨變形溫度升高而增加，并且首道次應(yīng)變量顯著地影響5052鋁合金的靜態(tài)軟化率：溫度同為300℃時(shí)，ε1=0.41（FS=0.54）的軟化率明顯高于ε1=0.18（FS=0.33）；即使變形溫度較低，間隙時(shí)間較短，形變誘導(dǎo)作用能夠使靜態(tài)軟化達(dá)到高溫較長(zhǎng)間隙時(shí)間的效果（對(duì)比表2中480℃和430℃情形）。

圖2 5052鋁合金雙道次壓縮變形下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

表2 影響5052鋁合金道次間靜態(tài)軟化程度的因素

3 分析及討論

當(dāng)單道次壓縮變形應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，材料的熱激活作用增強(qiáng)，從而材料內(nèi)位錯(cuò)和空位的活性提高，導(dǎo)致螺位錯(cuò)的交滑移、刃位錯(cuò)的攀移、空位的擴(kuò)散和位錯(cuò)脫釘?shù)葎?dòng)態(tài)回復(fù)能力增強(qiáng)使得動(dòng)態(tài)軟化；變形溫度一定時(shí)，應(yīng)變速率加快，材料變形時(shí)間短來不及產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)或者再結(jié)晶軟化，從而動(dòng)態(tài)軟化能力降低[6]。

眾所周知，鋁及其多數(shù)合金屬于典型的高層錯(cuò)能(SFE)材料[8]。在熱加工過程中，其不全位錯(cuò)容易束集為全位錯(cuò)(或者說全位錯(cuò)不易擴(kuò)展成不全位錯(cuò)和層錯(cuò))，故螺位錯(cuò)的交滑移與刃位錯(cuò)的攀移阻力較小，導(dǎo)致異號(hào)位錯(cuò)對(duì)消以及位錯(cuò)重排而成為具有較低能量的位錯(cuò)組態(tài)，即產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)而形成多邊形化的亞結(jié)構(gòu)且消耗大部分變形儲(chǔ)能，從而降低了合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的驅(qū)動(dòng)力而使其較難發(fā)生。因此，即使是在T=480℃, ?=0.005s-1高溫、低應(yīng)變速率條件下，合金微觀組織呈現(xiàn)典型的纖維狀組織特征，且伴隨著少量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織產(chǎn)生（圖3a所示）。這與圖1中5052鋁合金發(fā)生的動(dòng)態(tài)軟化過程相符，動(dòng)態(tài)回復(fù)在動(dòng)態(tài)軟化過程中占主導(dǎo)地位，流變應(yīng)力達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)態(tài)，沒有明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化特征。

需要說明的是合金在熱模擬過程中，溫度始終保持不變（包括道次間隙時(shí)間內(nèi)）。由于首道次變形動(dòng)態(tài)回復(fù)殘留了較大的位錯(cuò)密度及畸變能，提供了道次間隔時(shí)間靜態(tài)軟化驅(qū)動(dòng)力。在道次間隙時(shí)間內(nèi)，位錯(cuò)出現(xiàn)交滑移出現(xiàn)低位錯(cuò)密度的亞晶，通過亞晶的移動(dòng)推動(dòng)再結(jié)晶的形核與張大，從而促進(jìn)靜態(tài)軟化。由于道次間靜態(tài)再結(jié)晶提高了合金單位體積內(nèi)晶界的面積，從而在第二道次壓縮變形中可以存儲(chǔ)更多的形變儲(chǔ)能（主要以位錯(cuò)的形式），進(jìn)而為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供大量形核的核心和驅(qū)動(dòng)力，增大了第二道次變形再結(jié)晶程度，故可從第二道次壓縮變形后的顯微組織反推道次間靜態(tài)再結(jié)晶程度。對(duì)比圖3a、b可以得出，相同的應(yīng)變總量、應(yīng)變速率和變形溫度下，采用雙道次壓縮變形后的再結(jié)晶程度更為顯著，這正是道次間靜態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致的。而從圖3b、c中可以看到，即使在相對(duì)較低溫度和較短間隙時(shí)間條件下，僅僅首道次應(yīng)變量不同而引起再結(jié)晶程度接近，正說明了形變誘導(dǎo)靜態(tài)再結(jié)晶的重要性。

圖3 不同壓縮變形條件下5052鋁合金微觀組織(?=0.005s-1)

4 結(jié) 論

（1）5052鋁合金在Gleeble-1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)中，單道次和雙道次等溫壓縮變形過程均存在穩(wěn)態(tài)流變特征；并且隨著變形溫度的降低，應(yīng)變速率的升高，合金的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力水平提高，5052鋁合金屬于正應(yīng)變速率敏感材料。

（2）5052鋁合金在雙道次壓縮時(shí)，道次間隙時(shí)間內(nèi)存在靜態(tài)再結(jié)晶軟化過程，首道次應(yīng)變量和變形溫度對(duì)靜態(tài)再結(jié)晶起主導(dǎo)作用，隨著變形溫度增加，首道次應(yīng)變量增加，靜態(tài)軟化率顯著提高。

（3）結(jié)合5052鋁合金流變應(yīng)力曲線和顯微組織對(duì)照分析得出：?jiǎn)蔚来蝿?dòng)態(tài)軟化和雙道次靜態(tài)軟化主導(dǎo)機(jī)制分別為動(dòng)態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶。

[1] 肖亞慶 主編. 鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2005.1, 第1版

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[5] 蔣福林，張輝.4104鋁合金高溫?zé)釅嚎s過程的再結(jié)晶[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，（32）3：:5-55

[6] 王占學(xué)主編. 塑性加工金屬學(xué)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1991.11, 第1版

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（編輯：楊毅）

On Dynamic and Static Softening Behaviors of 5052 Aluminum Alloy

LI Yong
(Southwest Aluminum (Group) Co.,Ltd., Chongqing 401326, China)

The dynamic and static softening behaviors of 5052 aluminum alloy were studied by isothermal compression tests at the strain rate of 0.005/s～0.05/s and the deformation temperature of 330℃～480℃on a Gleeble-1500D simulator. The results shows that the dynamic and static softening exits in the hot compression deformation,and the initial compression reduction can influence significantly static softening fraction (FS). Combining the flow stress curve and microstructure analysis, it revealed that the mechanism of dynamic and static softening mechanism were dynamic recovery and static recrystallization respectively.

5052 aluminum alloys; dynamic and static softening; softening fraction; recovery and recrystallization.

TG146.21，TG339

A

1005-4898(2014)03-0009-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.03.02

黎勇（1968-），男，重慶南川人，金屬材料及熱處理專業(yè)，工程師。

2014-01-06