鄒立穎，董學(xué)光，陳 偉，楊 陽，谷寧杰，王眉眉

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

5182鋁合金因其強(qiáng)度高、良好的耐腐蝕性能和成型性而被用做易拉罐蓋材料。根據(jù)易拉罐生產(chǎn)商提供的信息，易拉罐蓋需在耐壓實(shí)驗(yàn)中不發(fā)生鼓起變形才可滿足汽水、啤酒等飲料的使用要求，這就要求罐蓋料用5182鋁合金板材具有足夠高的屈服強(qiáng)度。易拉罐蓋的減薄意味著對(duì)板材屈服強(qiáng)度的要求進(jìn)一步提高。

5182鋁合金屬熱處理不可強(qiáng)化合金，其主要強(qiáng)化方式為固溶強(qiáng)化、加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化[1]。本文主要關(guān)注Mn、Cr兩元素對(duì)罐蓋用5182鋁合金組織及力學(xué)性能的影響。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道可知，Mn元素在該合金中主要以兩種方式存在，一種是固溶于基體中，另一種是以MnAl6相形式析出[2-4]；其主要作用有：提高合金的再結(jié)晶溫度，提高合金強(qiáng)度和抗腐蝕性能，且可使含F(xiàn)e相的邊角圓潤(rùn)化并降低其脆性，從而降低Fe元素對(duì)材料性能的不利影響[5]。Cr與Mn作用相似，也可提高合金強(qiáng)度，抑制合金的再結(jié)晶行為[6-8]。此前的文獻(xiàn)[8-10]大都是簡(jiǎn)要概述Mn、Cr等合金元素在5×××系鋁合金中的作用，或是研究Mn、Cr元素含量變化對(duì)5×××系鋁合金中含Mn、Cr第二相（如：Al-Mn-Cr、（FeMn）Al6等）及彌散相（如：Al7Cr、Al6Mn等）分布的影響規(guī)律[11-14]，尚未有關(guān)于Mn、Cr元素含量變化對(duì)β相（Mg2Al3、Mg5Al8）析出分布變化的影響規(guī)律及機(jī)制的研究。作為5×××系鋁合金中重要的析出相，β相的析出分布情況常被用來判斷合金的抗腐蝕性能[15-17]。本文系統(tǒng)地分析了Mn、Cr元素含量變化對(duì)5182板材β相析出分布、電導(dǎo)率、晶粒組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過觀察β相析出分布變化可定性分析5182板材加工硬化程度，不僅可減少實(shí)驗(yàn)量，降低研發(fā)成本，還為5×××系鋁合金的研究提供了一種新方法。

1 材料制備及實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)用材料為3種不同合金成分的5182罐蓋料鑄錠，鑄錠合金成分見表1。這3種不同合金成分的5182油浴后板材制備工藝見圖1，即對(duì)3種鑄錠進(jìn)行雙級(jí)均勻化處理，再將均勻化鑄錠進(jìn)行熱軋、冷軋至1.5 mm，再進(jìn)行330℃/2 h中間退火，再冷軋至0.22 mm。取適當(dāng)大小的3種冷軋板進(jìn)行249℃/20 s油浴處理模擬罐蓋板材涂覆樹脂烘烤過程。

圖1 3種5182油浴后板材的制備工藝

表1 3種鑄錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

對(duì)3種油浴后板材進(jìn)行120℃/168 h的敏化處理，使β相（Mg2Al3、Mg5Al8）充分析出，將所獲3種板材用10%H3PO4溶液（V(H3PO4)∶V(H2O)）=1∶9）腐蝕10 min，用金相顯微鏡觀察其縱截面β相的分布形態(tài)。

采用DH1718E-4型直流雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源對(duì)3種油浴后板材進(jìn)行陽極覆膜處理（覆膜液采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3246.1—2012推薦的硫酸磷酸溶液），用金相顯微鏡偏光模式觀察所得板材縱截面的晶粒組織。

采用SIGMATEST 2.069渦流電導(dǎo)率儀測(cè)試3種油浴后板材電導(dǎo)率。

采用萬能拉伸機(jī)（CSS-44100）對(duì)油浴后板材進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為3 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mn、Cr元素對(duì)板材微觀組織的影響

在5182合金中，Mg主要以兩種形式存在，一種為固溶狀態(tài)，另一種是以析出相β相形式存在[8]。對(duì)大變形后的板材進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，β相易在位錯(cuò)、晶界、亞晶界等缺陷處析出。為了研究Mn、Cr元素含量對(duì)大變形后5182板材加工硬化程度的影響規(guī)律，可利用β相的析出特點(diǎn)，通過對(duì)比β相的析出分布變化來間接表征板材的加工硬化程度變化。經(jīng)多組試驗(yàn)對(duì)比后最終確定，對(duì)5182油浴后板材進(jìn)行120℃/168 h敏化處理可使β相充分析出。

圖2為3種敏化處理板材經(jīng)10%H3PO4溶液腐蝕后的微觀組織圖。從圖中可看出，3種板材均分布著大量細(xì)小析出相，如圖中箭頭所指，結(jié)合資料可知[8]，這些析出相即為β相。由圖2可知，A合金（高M(jìn)n高Cr）中β相在晶界和剪切帶集中析出明顯多于B合金（低Mn高Cr）和C合金（高M(jìn)n低Cr）。

圖2 3種合金油浴后板材β相分布

一方面，根據(jù)位錯(cuò)理論[18]可知，加工硬化是因?yàn)榘宀脑谒苄宰冃芜^程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場(chǎng)不斷增大，位錯(cuò)間交互作用不斷增強(qiáng)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)越來越困難引起的。合金元素的加入會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙[19]。另一方面，根據(jù)材料熱力學(xué)原理可知[18]，對(duì)體系作功，一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能儲(chǔ)存在體系內(nèi)，其余變成熱量消失掉。由此可知，在冷加工過程中，外部對(duì)板材作功，部分功用于板材塑性變形以畸變能的形式儲(chǔ)存在板材內(nèi)部。對(duì)于畸變能越高的板材，其熱力學(xué)狀態(tài)越不穩(wěn)定，更容易在晶界、位錯(cuò)等缺陷處發(fā)生析出現(xiàn)象。

結(jié)合以上分析，可得出如下結(jié)論：經(jīng)相同工藝獲得的3種大變形板材，Mn、Cr元素含量越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越困難，致使板材內(nèi)部畸變能和內(nèi)應(yīng)力越高，在晶界和剪切帶集中析出的β相越多，表明板材加工硬化程度越大。因此Mn、Cr元素的增加提高了板材的加工硬化程度。

2.2 Mn、Cr元素對(duì)板材電導(dǎo)率的影響

已有研究表明，合金元素的添加會(huì)使鋁基體產(chǎn)生晶格畸變，導(dǎo)致自由電子的散射加劇，從而降低鋁合金電導(dǎo)率，其中Mn、Cr等過渡族元素對(duì)電導(dǎo)率的影響尤其顯著[20]。另外，溶質(zhì)原子的加入，由于尺寸效應(yīng)所引起的點(diǎn)陣畸變是固溶強(qiáng)化的主要因素[19]。因此，可通過對(duì)比這種板材電導(dǎo)率的變化情況間接判斷其相應(yīng)的鋁基體晶格畸變程度，進(jìn)而判斷板材的強(qiáng)化程度。

由圖3知，隨Mn、Cr元素含量的增加，油浴后板材電導(dǎo)率降低，這一結(jié)果與前面的分析一致，即Mn、Cr元素增加，導(dǎo)致基體點(diǎn)陣畸變?cè)龃螅辖鸬碾娮杪试龃?，電?dǎo)率降低。由此可推測(cè)，高M(jìn)n、Cr元素板材點(diǎn)陣畸變程度更大，其強(qiáng)化作用也隨之增大，這一點(diǎn)將在2.4中進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 油浴后板材電導(dǎo)率與合金元素含量的變化關(guān)系

2.3 Mn、Cr元素對(duì)板材晶粒組織的影響

為了研究合金元素的加入對(duì)板材再結(jié)晶行為的影響規(guī)律，對(duì)3種油浴后板材晶粒組織進(jìn)行了觀察，如圖4所示。由圖4可知，3種油浴后板材晶粒均沿軋向成纖維狀，均未發(fā)生再結(jié)晶，無明顯差別。因此Mn、Cr元素含量對(duì)油浴后板材晶粒組織無明顯影響。

圖4三種油浴后板材縱截面晶粒組織

2.4 Mn、Cr元素對(duì)板材拉伸性能的影響

圖5 給出了3種油浴后板材的拉伸性能。由圖5可知，隨Mn、Cr元素含量的增加，油浴后板材屈服強(qiáng)度增大。如前所述，這一方面是由于Mn、Cr元素的增加對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用增強(qiáng)，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙；另一方面，Mn、Cr元素的增加引起基體點(diǎn)陣畸變程度加劇，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。所有阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增加位錯(cuò)移動(dòng)阻力的因素都可使材料強(qiáng)度提高。

圖5 油浴后板材屈服強(qiáng)度與合金元素含量的變化關(guān)系

3 結(jié)論

（1）對(duì)于5182合金，β相的析出可用來定性分析合金加工硬化程度，在所研究的成分范圍內(nèi)，Mn、Cr元素的增加會(huì)引起β相在晶界和剪切帶集中析出明顯增多。

（2）在本研究的成分范圍內(nèi)，Mn、Cr元素的增加引起鋁基體晶格畸變加劇、對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，5182合金油浴后板材的固溶強(qiáng)化作用和加工硬化程度增強(qiáng)。

（3）在所研究的成分范圍內(nèi)，Mn、Cr元素含量越高，5182油浴后板材的屈服強(qiáng)度越高。