黃元春，成再春，肖政兵，許天成，王艷玲

退火溫度對(duì)冷軋態(tài)5754鋁合金板材組織與性能的影響

黃元春1,2,3，成再春2，肖政兵3，許天成2，王艷玲2

(1. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 輕合金研究院，長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

在160~400 ℃范圍內(nèi)對(duì)5754鋁合金冷軋板進(jìn)行退火處理，通過(guò)顯微硬度與拉伸性能測(cè)試、金相顯微組織與拉伸斷口形貌觀(guān)察等，研究5754鋁合金冷軋板的再結(jié)晶溫度以及退火溫度對(duì)其力學(xué)性能和顯微組織的影響。結(jié)果表明：隨退火溫度從160 ℃升高到400 ℃，板材的伸長(zhǎng)率逐漸增加，但硬度、抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比不斷降低，屈強(qiáng)比由0.891降低到0.463。退火溫度達(dá)到360 ℃后力學(xué)性能趨于穩(wěn)定；冷軋態(tài)5754鋁板的再結(jié)晶溫度為294 ℃，再結(jié)晶終了溫度為360 ℃；在290~300 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，隨退火溫度升高，鋁板的顯微組織變化明顯，于290 ℃退火后基本上呈現(xiàn)原始的纖維狀組織，于300 ℃退火后出現(xiàn)大量的再結(jié)晶晶粒。合金冷軋板及其退火后的拉伸斷口主要由韌窩和撕裂棱組成，屬穿晶型韌性斷裂。

5754鋁合金；冷軋；退火溫度；再結(jié)晶溫度；斷口形貌

5754鋁合金是典型的A1-Mg系合金，具有中等強(qiáng)度、良好的耐蝕性和焊接性、以及易加工成形等特點(diǎn)，主要用于汽車(chē)車(chē)身內(nèi)板[1?2]。安全、節(jié)能、環(huán)保是轎車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向，轎車(chē)材料的輕量化是實(shí)現(xiàn)轎車(chē)減重、節(jié)能、環(huán)保的重要途徑之一[3]。5754鋁合金為不可熱處理強(qiáng)化合金，一般在退火狀態(tài)下使用[1]。冷變形量超過(guò)臨界變形度的Al–Mn合金經(jīng)過(guò)退火后，應(yīng)變能釋放，使得冷變形時(shí)因加工硬化而降低的塑性變形能力得到恢復(fù)[4]。當(dāng)退火溫度超過(guò)金屬材料的再結(jié)晶溫度時(shí)，合金發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，再結(jié)晶直接影響最終產(chǎn)品的性能[5]。屈強(qiáng)比是衡量金屬材料均勻塑性變形能力的重要指標(biāo)，近年來(lái)，人們?cè)谧非蠼饘俨牧细邚?qiáng)度和高韌性的同時(shí)，將屈強(qiáng)比作為一項(xiàng)重要指標(biāo)[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[7?11]對(duì)5754鋁合金進(jìn)行了大量研究，如孫景林等[7]研究了冷軋壓下率分配對(duì)5754鋁合金組織與性能的影響。張強(qiáng)等[8]研究了5754-H24鋁合金板材的生產(chǎn)工藝，當(dāng)冷軋變形量為90%時(shí)，生產(chǎn)的厚度為0.8 mm的5754-H24鋁合金板材的最佳退火工藝為260 ℃保溫1 h。趙永軍等[9]研究發(fā)現(xiàn)5754鋁合金退火板材隨冷加工率的增加，抗拉強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率下降，最佳生產(chǎn)工藝為：冷軋加工率25%~35%，140~150 ℃穩(wěn)定化退火，保溫1 h。趙志剛[10]研究表明，冷軋加工率越大，或退火保溫時(shí)間越長(zhǎng)，5754鋁合金的再結(jié)晶溫度越低。SARKAR等[11]研究了5754鋁合金退火后的軟化行為。上述研究主要集中在冷軋和退火工藝對(duì)組織與性能的影響，對(duì)于定量確定5754鋁合金的再結(jié)晶溫度以及合金屈強(qiáng)比的研究未見(jiàn)報(bào)道。合金成分和冷軋加工率對(duì)板材的再結(jié)晶溫度和性能影響顯

著[9?10]。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)厚度為1.28 mm的5754鋁合金冷軋板(冷軋總變形量為74.4%)進(jìn)行退火處理，研究退火溫度對(duì)板材組織以及硬度、強(qiáng)度和屈強(qiáng)比等性能的影響，研究結(jié)果對(duì)于制定合理的冷軋態(tài)5754鋁板的退火工藝具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)用5754鋁合金冷軋板為廣西柳州銀海鋁業(yè)生產(chǎn)，由厚度為5.00 mm的熱軋板冷軋至1.28 mm，總變形量為74.4%，冷軋工藝參數(shù)列于表1。表2所列為5754鋁合金板材的化學(xué)成分。

1.2 方法

從厚度為1.28 mm的冷軋板上截取試樣，進(jìn)行退火試驗(yàn)，退火溫度在160~400 ℃之間(每隔10 ℃取一個(gè)溫度點(diǎn))，所用設(shè)備為KSY智能箱式保溫爐(精度為±1 ℃)。將試樣放入保溫爐中，以10 ℃/min升溫速率將爐內(nèi)溫度升至目標(biāo)溫度，保溫1 h后，取出試樣進(jìn)行空冷。

利用HV?1000A型維氏硬度計(jì)對(duì)退火后的5754鋁合金板材進(jìn)行硬度測(cè)試，壓頭載荷為1.961 N，保壓10 s。每個(gè)試樣測(cè)定5次，取平均值。在Olympus DSX500光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察退火后合金的顯微組織，觀(guān)察面為軋制面，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨、拋光，然后陽(yáng)極覆膜(覆膜電壓為20 V，時(shí)間為1 min，覆膜液組成為400 mL H2O+10 mL HBF4)。根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》(人工截點(diǎn)法)測(cè)定合金的平均晶粒尺寸。

表1 5754鋁合金的冷軋工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of cold rolling of 5754 aluminum alloy

表2 5754鋁合金的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of 5754 aluminium alloy (mass fraction, %)

按GB/T 16865—2013要求制備拉伸試樣，在CSS?44100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)量材料在不同溫度下退火后的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，并計(jì)算屈強(qiáng)比(屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值)。拉伸速度為2 mm/min。在TESCAN MIRA3 LMU型掃描電鏡(SEM)下觀(guān)察拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖1所示為退火溫度對(duì)5754鋁合金板材力學(xué)性能的影響。從圖1(a)看出，由于退火過(guò)程的軟化作用，隨溫度升高，硬度越來(lái)越低，退火溫度達(dá)到360 ℃后，硬度基本不再隨退火溫度升高而變化。將退火前的硬度和完全軟化后的硬度差視為100%，硬度降低50%時(shí)的溫度定義為材料的再結(jié)晶溫度[12]。按此定義，經(jīng)插值計(jì)算[12]5754鋁合金冷軋板材的再結(jié)晶溫度為294℃。由圖1(a)可見(jiàn)，退火溫度低于290 ℃時(shí)，鋁合金板材的硬度隨溫度升高而下降的幅度不大，從290 ℃開(kāi)始硬度大幅下降，至360 ℃基本穩(wěn)定。

從圖1(b)可看出，隨退火溫度升高，合金板材的抗拉強(qiáng)度降低，而伸長(zhǎng)率升高。隨退火溫度從160 ℃升高到400 ℃，抗拉強(qiáng)度從325.2 MPa降低到229.9 MPa，下降幅度為29.3%；伸長(zhǎng)率從5.8%增大到22.9%。退火溫度低于290 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的變化都較??；隨退火溫度從290 ℃升高到300 ℃，抗拉強(qiáng)度急劇下降，伸長(zhǎng)率急速上升；在300~360 ℃溫度之間，隨退火溫度升高，抗拉強(qiáng)度下降和伸長(zhǎng)率上升的幅度并不大；退火溫度達(dá)到360 ℃以上時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定。

圖1(c)所示為退火溫度對(duì)5754鋁合金板材屈強(qiáng)比的影響?？梢钥闯觯S退火溫度從160 ℃升到360 ℃，屈強(qiáng)比由0.891降低至0.469。合金在290 ℃前退火時(shí)，屈強(qiáng)比隨溫度的變化較平緩；在290～300 ℃之間，屈強(qiáng)比變化顯著，由0.804迅速降低到0.493；隨退火溫度繼續(xù)升高，屈強(qiáng)比緩慢下降，于360 ℃基本穩(wěn)定。因此，當(dāng)退火溫度選擇在360 ℃時(shí)，鋁板的屈強(qiáng)比最低，變形能力強(qiáng)，有利于板材的加工成形。

圖1 5754鋁板的力學(xué)性能隨退火溫度的變化Fig.1 The variation of mechenical properties with annealing temperature of 5754 aluminum alloy sheet

2.2 顯微組織

圖2所示為5754鋁合金冷軋板及其在不同溫度下退火后的金相組織。由圖可知，隨退火溫度升高，合金的內(nèi)部組織由冷軋變形組織向再結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變。從圖2(a)可見(jiàn)，合金在冷軋變形后，晶粒變長(zhǎng)，部分晶粒破碎，形成纖維組織和帶狀組織，而且冷軋鋁板的組織不均勻，部分晶粒已破碎，被拉長(zhǎng)的晶粒附近存在細(xì)小的晶粒，并保持一定的取向關(guān)系，這主要是由于鋁板在冷軋過(guò)程中形變不均勻所致。冷軋板經(jīng)290℃退火后，晶界處開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的新晶粒(見(jiàn)圖2(b))，但仍可清晰地看到原始長(zhǎng)條晶粒。因此，在低于290 ℃溫度下退火時(shí)合金發(fā)生回復(fù)過(guò)程，有少量?jī)?chǔ)存能釋放，硬度、抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比的下降幅度都不大(見(jiàn)圖1)；退火溫度為300 ℃時(shí)，由于提高了再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，組織基本上由小尺寸等軸晶粒組成，有大量?jī)?chǔ)存能釋放，硬度和抗拉強(qiáng)度急劇下降，伸長(zhǎng)率急劇上升(見(jiàn)圖1)；于320 ℃退火時(shí)合金的再結(jié)晶程度更高；于360 ℃退火后，合金的組織均勻性進(jìn)一步提高，出現(xiàn)更多的再結(jié)晶晶粒，無(wú)畸變的等軸新晶粒逐漸取代已存在的晶粒，此時(shí)合金已完全再結(jié)晶；隨退火溫度進(jìn)一步升高到400 ℃，合金的再結(jié)晶進(jìn)一步完善，組織均勻，均為細(xì)小的等軸晶粒，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更完善，因此合金具有良好的塑性。

圖2 5754鋁合金冷軋板及其在不同溫度下退火后的金相顯微組織Fig.2 Microstructures of cold-rolled 5754 aluminum alloy sheet and the cold-rolled sheet annealed at different temperatures (a) No annealing; (b) 290 ℃; (c) 300 ℃; (d) 320 ℃; (e) 360 ℃; (f) 400 ℃

經(jīng)過(guò)測(cè)定，鋁合金板在300~360 ℃之間退火后，平均晶粒尺寸在18 μm左右，而當(dāng)退火溫度為400 ℃時(shí)平均晶粒尺寸為21 μm。由于合金在300~360 ℃之間退火時(shí)晶粒大小相差不大，并且均發(fā)生了再結(jié)晶過(guò)程(見(jiàn)圖2)，因此，隨退火溫度升高，硬度、抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比都緩慢下降(見(jiàn)圖1)；退火溫度高于360 ℃時(shí)，由于再結(jié)晶完全，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，但長(zhǎng)大的幅度不大，所以合金的力學(xué)性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 拉伸斷口形貌

圖3所示為5754鋁合金冷軋板及其在不同溫度下退火后的室溫拉伸斷口SEM形貌。由圖3(a)可看出，冷軋板為穿晶型韌性斷口，產(chǎn)生了明顯的韌窩和撕裂棱，韌窩為拉長(zhǎng)的橢圓形或圓形，屬于典型的韌性斷裂。經(jīng)過(guò)退火處理后，韌窩和撕裂棱更密集，且更圓整，說(shuō)明退火處理提高了材料的塑性，拉伸斷裂方式為明顯的韌性斷裂。由圖3(b)和(c)看出，分別在290和300 ℃下退火后的合金拉伸斷口形貌相差較大，后者的韌窩數(shù)量明顯增多；由于晶粒尺寸減小，韌窩口直徑變小，分布趨于均勻，并且撕裂棱增多，說(shuō)明材料的塑性明顯提高[13?15]，變形能力增強(qiáng)，因此材料的屈強(qiáng)比下降幅度較大(見(jiàn)圖1(c))。從圖3(d)可見(jiàn)在320℃退火后合金的拉伸斷口出現(xiàn)更多的韌窩，韌窩分布更均勻，材料的塑性變得更好。對(duì)比圖3(e)和(f)可看出，與400 ℃退火后的合金相比，在360 ℃退火后鋁合金的韌窩尺寸較小，韌窩分布更加均勻，因此其塑性變形能力更強(qiáng)。綜上以上分析可知，在360 ℃退火的5754鋁合金板材更適于塑性變形加工。

3 結(jié)論

1) 冷軋態(tài)5754鋁板的再結(jié)晶溫度為294 ℃，再

結(jié)晶終了溫度為360 ℃。

2) 當(dāng)5754鋁板在160~400 ℃溫度區(qū)間內(nèi)退火時(shí)，

隨退火溫度升高，鋁板的屈強(qiáng)比降低，由0.891降至

0.463 ，在360 ℃趨于穩(wěn)定。因此，退火溫度選擇在360℃時(shí)有利于板材的加工成形。

圖3 5754鋁合金冷軋板及其在不同溫度下退火后的拉伸斷口形貌Fig.3 SEM images of the fracture surface for cold-rolled 5754 aluminum alloy sheet and the cold-rolled sheet annealed at different temperatures (a) No annealing; (b) 290 ℃; (c) 300 ℃; (d) 320 ℃; (e) 360 ℃; (f) 400 ℃

3) 5754鋁板在290~300 ℃溫度區(qū)間退火時(shí)，顯微組織對(duì)退火溫度十分敏感，在290 ℃退火后鋁板的組織基本上呈現(xiàn)原始的纖維狀組織，在300 ℃退火后組織中出現(xiàn)大量的再結(jié)晶晶粒。

4) 不同溫度下退火后的5754鋁板，拉伸斷口形貌都是由韌窩和撕裂棱組成，屬于穿晶型韌性斷裂，隨退火溫度升高，塑性變形能力提高。

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(編輯 湯金芝)

Effects of annealing temperature on microstructure and mechanical properties of cold-rolled 5754 aluminum alloy sheet

HUANG Yuanchun1,2,3, CHENG Zaichun2, XIAO Zhengbing3, XU Tiancheng2, WANG Yanling2
(1. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China; 3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The mechanical properties and microstructure of cold-rolled 5754 aluminum alloy sheet annealed from 160 ℃to 400 ℃ were analyzed using microhardness testing machine, mechanical property testing machine, metallographical microscope and SEM. The effects of annealing temperature on mechanical properties, and microstructures of the fractrure surface were discussed. The results show that the elongation of Al alloy sheet increases gradually with increasing annealing temperature from 160 ℃ to 400 ℃, but the hardness, tensile strength and yield ratio decrease constantly. Especially, the yield ratio decreases from 0.891 to 0.463. The mechanical properties tend to be stable after annealing temperature reaching 360 ℃. The recrystallization temperature of cold-rolled 5754 aluminum alloy sheet is 294 ℃, and the end recrystallization temperature is 360 ℃. The microstructure changes significantly with the increase of annealing temperature from 290 ℃ to 300 ℃. The microstructure of Al alloy sheet annealed at 290 ℃ basically presents the original fibrous microstructure, while the microstructure of Al alloy sheet annealed at 300 ℃ ethicist a lot of recrystallized grains. Tensile fracture is mainly composed of ductile dimples and tearing edges, which presents intergranular ductile fracture.

5754 aluminum alloy; cold rolling; annealing temperature; recrystallization temperature; fracture surface

TG146.21

A

1673-0224(2017)03-360-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB619504)

2016?07?18；

2016?07?18

黃元春，教授，博士。電話(huà)：13507315123；E-mail: science@csu.edu.cn