王能均

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

0 前言

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

圖1 典型的斜紋形貌

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用某企業(yè)生產(chǎn)的Al-Mg合金，牌號為5000S，其具體成分見表1。實(shí)驗(yàn)流程圖如下：半連續(xù)鑄造鑄錠→銑面去除粗晶層→均勻化處理→熱軋開坯→不經(jīng)預(yù)先退火→50%變形率冷軋→箱式爐再結(jié)晶中間退火→50%變形率的成品冷軋。經(jīng)冷軋后的樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)變形以及模擬工業(yè)化條件退火，對最終樣品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率性能以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征和晶粒組織進(jìn)行了評價(jià)，最終指導(dǎo)工程化生產(chǎn)和工藝優(yōu)化調(diào)整。

表1 合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)力增減，應(yīng)變也隨之增減。但當(dāng)這種對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)異常，如出現(xiàn)應(yīng)變增加但應(yīng)力恒定時(shí)[1]，拉伸曲線上則體現(xiàn)為“屈服平臺(tái)”；如若出現(xiàn)應(yīng)變增加但應(yīng)力有增減時(shí)，拉伸曲線上則體現(xiàn)為“鋸齒狀”[2-5]。出現(xiàn)這種應(yīng)力與應(yīng)變的非正常對應(yīng)的材料，則比較容易出現(xiàn)斜紋缺陷。

圖2 為容易出現(xiàn)斜紋缺陷的典型拉伸曲線圖，圖3 為典型的高M(jìn)g 鋁合金5A06-O 合金板材與LY12-CZ 合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖。可見，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線能明顯反應(yīng)出材料變形特性。因此拉伸應(yīng)變曲線形貌是本文采用的重要評價(jià)方法。

圖2 易出現(xiàn)“紋路”鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 5A06-O、LY12-CZ板材曲線對比

從圖2可以看出，應(yīng)力、應(yīng)變的不穩(wěn)定對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)有先后和數(shù)量上的區(qū)別。屈服平臺(tái)在變形過程中僅出現(xiàn)一次，進(jìn)入加工硬化階段后，鋸齒狀現(xiàn)象則表現(xiàn)為鋸齒形應(yīng)力流動(dòng)，在產(chǎn)品表面上反復(fù)出現(xiàn)。

屈服平臺(tái)產(chǎn)生原理為產(chǎn)品內(nèi)部某處位錯(cuò)突然掙脫溶質(zhì)原子氣團(tuán)束縛，并大量增殖而引起的應(yīng)變軟化過程。因此，大量的位錯(cuò)將滑移到產(chǎn)品表面形成斜紋。而隨后經(jīng)過平臺(tái)區(qū)域之后，加工硬化效應(yīng)將起主要作用，產(chǎn)品內(nèi)的塑性變形將以宏觀均勻穩(wěn)定的方式進(jìn)行，屈服平臺(tái)造成的斜紋也將不再出現(xiàn)[6]。鋸齒形屈服現(xiàn)象的微觀機(jī)理與屈服平臺(tái)機(jī)理不同，由于可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)被晶體中的障礙（如位錯(cuò)、晶界、析出相等）所阻攔，所以其運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的。在可動(dòng)位錯(cuò)被阻攔的過程中，溶質(zhì)原子將在障礙處聚集，并形成溶質(zhì)原子氣團(tuán)將可動(dòng)位錯(cuò)釘扎，在持續(xù)的外應(yīng)力作用下，位錯(cuò)將越過障礙，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力的跌落。因此，可動(dòng)位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間反復(fù)的動(dòng)態(tài)釘扎和脫釘過程， 就形成了應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的鋸齒形應(yīng)力流動(dòng)[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(tái)的一次傳播特性，增加預(yù)變形控制，提前消耗傳播路徑，使其在后續(xù)加工時(shí)不再傳播，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工硬化和應(yīng)變時(shí)效的綜合匹配。

（2）通過熱處理工藝優(yōu)化，精確控制晶粒組織，減少位錯(cuò)前行過程中的“障礙”數(shù)量，改善斜紋形貌，同時(shí)避免產(chǎn)生粗晶橘皮。

2.1 不同預(yù)變形對屈服平臺(tái)和鋸齒狀形貌的影響

冷軋樣品經(jīng)490 ℃/30 min 后，分別經(jīng)過0%、1%、2%、3%、4%、5%的預(yù)拉伸變形，然后再進(jìn)行拉斷。其性能數(shù)據(jù)和性能變化曲線見表2和圖4，拉伸應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度的影響

圖5 拉伸率對屈服平臺(tái)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(xiàng)性能指標(biāo)影響表現(xiàn)不一致。拉伸對屈服平臺(tái)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(tái)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(shí)間熱處理工藝試驗(yàn)，其性能數(shù)據(jù)見表3，應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征見圖6。

表3 熱處理方案及結(jié)果

圖6 熱處理對各項(xiàng)指標(biāo)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(qiáng)度，而保溫時(shí)間對性能影響不大。本次實(shí)驗(yàn)共3 種工藝出現(xiàn)了屈服平臺(tái)，即490 ℃/20 min+水冷、490 ℃/40 min+水冷和540 ℃/20 min+空冷；同時(shí)，在退火溫度≥510 ℃+水冷工藝下，屈服平臺(tái)消失。退火溫度≥540 ℃時(shí)，屈服平臺(tái)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(tái)區(qū)域消失，鋸齒狀現(xiàn)象趨于消失，但晶粒尺寸出現(xiàn)異常長大。粗大不均勻的晶粒組織造成強(qiáng)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(yè)化驗(yàn)證

通過上述實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線和晶粒的分析結(jié)果可知，退火、預(yù)變形工藝的單一調(diào)整并不能很好地解決表面紋路現(xiàn)象。因此課題組開展了工業(yè)化的綜合匹配驗(yàn)證試驗(yàn)，一方面適當(dāng)?shù)靥岣咄嘶饻囟龋_控制晶粒尺寸，另一方面適當(dāng)提高預(yù)變形率，避免較大的加工硬化。

工業(yè)化驗(yàn)證結(jié)果表明，預(yù)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(yōu)化前、后斜紋形貌對比。

圖8 工藝改進(jìn)前、后的表面形貌

3 結(jié)論

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

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

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