预热温度对等径角轧制6016铝合金织构及力学性能的影响
来源期刊:稀有金属2018年第6期
论文作者:刘文辉 邱群 陈宇强 唐昌平 刘筱 唐建国
文章页码:586 - 593
关键词:6016铝合金;等径角轧制;预热温度;织构;
摘 要:通过准静态单轴拉伸实验、金相显微镜(OM)观察以及X射线衍射(XRD)宏观织构测试手段研究了3种不同预热温度(20,210,420℃)对等径角轧制6016铝合金板材的微观组织、织构及力学性能的影响。结果表明:在20,210,420℃3个温度范围内,随着温度的升高,RT(轧制)态板材的Brass{011}<211>织构、Copper{112}<111>织构、S{123}<634>织构等形变织构取向密度和体积分数降低;T4P(固溶+预时效+自然时效)态板材的Cube{001}<100>织构的取向密度和体积分数逐渐降低,而斯密特因子逐渐升高,织构逐渐离散弱化。在420℃条件下,RT态板材发生动态再结晶,形变织构尚存,但取向密度和体积分数非常低,此外还出现了少量向再结晶织构转变的中间态织构;T4P态板材出现了少量的P{011}<112>织构、Goss{110}<001>织构和其他一些不常见的织构类型,各种织构强度较弱,没有强烈的再结晶织构,织构无序分布。在420℃条件下的T4P态板材具有良好的塑性和成形性,其δ>29%,σ0.2<110 MPa,r≈0.75,Δr≈0.16。而T8X(固溶+预时效+自然时效+模拟烤漆硬化)态板材具有良好的烘烤硬化性能,其σ0.2>210 MPa,σb>335 MPa。
网络首发时间: 2017-03-29 13:56
稀有金属 2018,42(06),586-593 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17030006
刘文辉 邱群 陈宇强 唐昌平 刘筱 唐建国
湖南科技大学材料科学与工程学院
湖南科技大学高温耐磨材料及制备技术湖南省国防技术重点实验室
中南大学材料科学与工程学院
通过准静态单轴拉伸实验、金相显微镜 (OM) 观察以及X射线衍射 (XRD) 宏观织构测试手段研究了3种不同预热温度 (20, 210, 420℃) 对等径角轧制6016铝合金板材的微观组织、织构及力学性能的影响。结果表明:在20, 210, 420℃3个温度范围内, 随着温度的升高, RT (轧制) 态板材的Brass{011}<211>织构、Copper{112}<111>织构、S{123}<634>织构等形变织构取向密度和体积分数降低;T4P (固溶+预时效+自然时效) 态板材的Cube{001}<100>织构的取向密度和体积分数逐渐降低, 而斯密特因子逐渐升高, 织构逐渐离散弱化。在420℃条件下, RT态板材发生动态再结晶, 形变织构尚存, 但取向密度和体积分数非常低, 此外还出现了少量向再结晶织构转变的中间态织构;T4P态板材出现了少量的P{011}<112>织构、Goss{110}<001>织构和其他一些不常见的织构类型, 各种织构强度较弱, 没有强烈的再结晶织构, 织构无序分布。在420℃条件下的T4P态板材具有良好的塑性和成形性, 其δ>29%, σ0.2<110 MPa, r≈0.75, Δr≈0.16。而T8X (固溶+预时效+自然时效+模拟烤漆硬化) 态板材具有良好的烘烤硬化性能, 其σ0.2>210 MPa, σb>335 MPa。
中图分类号: TG146.21;TG339
作者简介:刘文辉 (1978-) , 男, 湖南株洲人, 博士, 教授;研究方向:轻合金加工工艺与性能、材料损伤与断裂研究;电话:18873216868;E-mail:lwh@hnust.edu.cn;
收稿日期:2017-03-05
基金:国家自然科学基金项目 (51475162, 51474240);湖南省教育厅优秀青年项目 (16B092);湖南省研究生科研创新项目 (CX2016B552) 资助;
Liu Wenhui Qiu Qun Cheng Yuqiang Tang Changping Liu Xiao Tang Jianguo
College of Materials Science and Engineering, Hunan University of Science and Technology
Key Laboratory of High Temperature Wear Resistant Materials Preparation Technology of Hunan Province
College of Materials Science and Engineering, Central South University
Abstract:
With the quasi-static uniaxial tensile experiment, optical microscopy (OM) and X-ray diffraction (XRD) macro texture methods, the effects of three different plate preheat temperatures (20, 210, 420 ℃) on the microstructure evolution, texture evolution and mechanical properties of 6016 aluminum alloys as equal channel angular rolling were studied. It showed that the intensity and volume fraction of Brass{011} < 211 >, Copper{112} < 111 >, S{123} < 634 > and other deformation textures of RT (rolled state) sample decreased with the temperature rising from 20 to 210 ℃ and to 420 ℃. The study also showed that the intensity and volume fraction of Cube{001} < 100 > texture of T4P (solution + pre-aging + naturally aging) sample gradually decreased. When the Schmidt factor increased, and the texture was weakened and scattered. When the preheat temperature arrived at 420 ℃, the RT sample was dynamically recrystallized, and deformed textures still existed in the sheet but the intensity and volume fraction were pretty low. With this temperature condition, there were small amount of intermediate state textures converting to recrystallization textures. And the T4P sample had a little P{011} < 112 >, Goss{110} < 001 > textures and some unusual textures featuring low intensity and disordered distribution but no strong recrystallization textures. Along with 420 ℃ as preheat temperature, the T4P sample showed good elongation (δ >29%) , and formability (σ (0. 2) < 110 MPa, r≈0. 75, Δr≈0. 16) , while T8X (solution + pre-aging + naturally aging + bake hardening) sample owned good bake hardening response (σ (0. 2) > 210 MPa, σb> 335 MPa) .
Keyword:
6016 aluminum alloys; equal channel angular rolling; preheat temperature; texture;
Received: 2017-03-05
6×××铝合金具有优良的耐腐蚀和焊接性能, 没有冲压“吕德斯”线, 是作为车身覆盖件实现汽车轻量化的首选材料之一[1,2]。然而6×××铝合金在应用过程中存在各向异性较强、冲压成形性能较差、烤漆硬化强度较低的问题。这已成为制约汽车铝合金轻量化快速发展的重要障碍之一[3,4]。研究表明铝合金板材的成形性能与织构存在密切的联系, 常规轧制形变态板材织构成分以β取向线织构为主, 而热处理态板材织构以Cube织构为主, 这使得板材各向异性较强, 成形性能较差。鉴于此, 近年来许多专家学者通过改变变形模式, 优化和调控织构来提高板材的成形性能。Chen等[5]通过非对称轧制引入E织构和F织构, 减少各向异性, 改善了6016铝合金板材的成形性。Kong等[6]通过横轧弱化β取向线织构, 减弱了3105铝合金的各向异性。Lee等[7]采用连续板带约束剪切轧制 (C2S2) 1050铝合金, 引入{111}<110>剪切织构, 抑制再结晶过程中晶粒的定向形核和选择性长大, 使得最终的再结晶织构弱化, 提高了板材的成形性能。Su等[8]采用累积叠轧 (ARB) 的方法轧制AA6061铝合金, 提高板材中r-Cube织构的体积分数, 改善了成形性能。
Cheng等[9]在等径角挤压的基础研究出等径角轧制工艺, 采用该工艺使AZ31镁合金强烈的基面织构变为锥面织构, 成形性能有所提高。此后Chung[10]和许晓静[11]等分别在AA6063和5052铝合金上研究了等径角轧制变形过程中晶粒组织变化和力学性能变化。然而在等径角轧制对于6×××铝合金板材织构演变和成形性能的影响方面研究较少。
本文以6016铝合金为研究对象, 利用等径角轧制工艺, 在一定的模具和轧制参数条件, 研究了不同的板材预热温度对合金的织构及力学性能的影响, 揭示了预热温度、织构、力学性能三者的内在关系, 为提高6×××铝合金成形性能提供参考依据。
1实验
本实验材料为6016铝合金铸锭, 其化学成分如表1所示。将铸锭铣削加工成86 mm×80 mm×18 mm (RD×TD×ND) 的长方体 (RD:轧向, TD:横向, ND:法向) , 然后经过540℃, 30 h的均匀化处理, 再按照等压下率原则在460℃条件下经多道次常规热轧得到1.6 mm厚板材。之后将板材空冷至室温, 再进行预热处理, 预热处理后立即进行等径角轧制, 预热处理后从炉内转移至轧机的速度尽可能快, 以减少温度散失。等径角轧制示意图如图1所示。相关参数分别为:通道倒角半径 (R) 20 mm, 夹角 (θ) 135°, 轧辊转速为5.8 r·min-1。等径角轧制前对板材进行一次预热处理, 预热处理的温度变量为20℃ (室温) 、210℃ (再结晶温度以下) 、420℃ (再结晶温度以上) , 预热时间5min。变形后板材的厚度约为1 mm。之后对板材进行固溶 (540℃, 30 min) +预时效 (170℃, 5 min) +自然时效 (室温, 14 d) +模拟烤漆硬化 (180℃, 30 min) 处理。为叙述方便, 将轧制态1 mm板材简记为RT态板材, 将固溶+预时效+自然时效后的板材简记为T4P态板材, 将模拟烤漆硬化后的板材简记为T8X态板材。
按照GB/T3246.1-2012, GB/T3246.2-2012, 采用阳极覆膜的方法, 使用蔡司Axiovert 40MAT型偏光显微镜, 对RT态、T4P态板材取样进行金相显微镜 (OM) 观察。其中电解液成分为7%氟硼酸水溶液, 恒定电压为25 V。晶粒尺寸采用国家标准GB/T3246.1-2012中的截距法进行统计。用帕纳科MRD高分辨X射线衍射仪 (XRD) 对RT态、T4P态板材取样进行XRD宏观织构测试。测定时衍射仪的管电流为40 m A, 管电压为40 k V, 采用Ni滤波片, 点焦斑Cu靶。扫描时按照同心圆步进的方式进行, α (径向) 角的范围为0~75°, β角的范围为0~360°。织构测定方式为:用Schulz背反射法测量 (111) , (220) , (200) 3个晶面得到3张不完整极图, 根据邦厄 (Bunge) 级数展开法 (lmax=22) 用MTEX软件计算取向分布函数 (ODF) 。按照GB/T16865-2013, GB/T228.1-2010, 使用CMT-5205型万能试验机进行准静态单轴拉伸实验, 按照GB/T5027-2007, 取与RD方向分别成0°, 45°, 90°的试样进行拉伸试验, 拉伸速度为0.2 mm·min-1, 拉伸应变15%时卸载, 测试塑性应变比r, 计算出平均塑性应变比加权平均值r-和塑性应变比各向异性度Δr。
表1 6016铝合金的化学成分Table 1Chemical compositions of 6016 aluminum alloy (%, mass fraction) 下载原图
表1 6016铝合金的化学成分Table 1Chemical compositions of 6016 aluminum alloy (%, mass fraction)
图1 等径角轧制示意图Fig.1 Sketch of equal channel angular rolling
2结果
2.1金相组织
图2 (a~c) 为不同温度预热处理后的RT态板材ND-RD面金相组织。从图2中可以看出, 预热温度从20℃增加至210℃, 板材的晶粒尺寸变化不大, 均呈现纤维状组织。420℃时, 出现再结晶晶粒, 晶粒大小分布呈现上、下表层 (14μm) 较中间层 (23.34μm) 更加细小的趋势, 但晶粒形状为椭圆形, 在轧制方向被拉长, 保留有形变结构。图2 (d~f) 为不同温度预热处理后的T4P态板材ND-RD面金相组织。从图2中可以看出, 在3个温度条件下板材均发生了再结晶, 呈现出大量的等轴晶粒。在20℃时, 板材的上表层晶粒 (30.34μm) 和下表层晶粒 (36.34μm) 较中间层晶粒 (45.67μm) 更加细小;210℃时, 晶粒尺寸分布均匀性较前者有大的提高, 晶粒平均尺寸约为44.67μm;420℃时, 板材的晶粒已经发生了长大, 晶粒平均尺寸约为63.34μm, 晶粒大小分布更加均匀。
2.2宏观织构
对于面心立方结构的铝合金, 通常只需考虑取向空间φ2=0°, φ2=45°和φ2=65°的截面图。根据式 (1) [12]通过 (φ1, Φ, φ2) 计算出织构的密勒指数{hkl}<uvw>, 从而推算出织构的类型。
图2 不同预热温度条件下等径角轧制的6016铝合金金相组织Fig.2 OM images of 6016 ECAR aluminum alloys at different preheat temperatures (a) 20℃, RT treatment; (b) 210℃, RT treatment; (c) 420℃, RT treatment; (d) 20℃, T4P treatment; (e) 210℃, T4P treatment; (f) 420℃, T4P treatment
可利用正态分布拟合法计算出各个织构组分的相对体积分数, 计算公式如下[13]
式中, j表示第j个织构组分;Z为织构组分的重复次数;S0j为正态分布织构组分中心的取向密度值;ψ为取向密度由中心的S0降至S0e-1时偏离中心角度。
图3为不同预热温度下6016铝合金等径角轧制RT态板材的取向分布图恒φ2 (0°, 45°, 65°) 。图4为图3中所对应的各种织构的取向密度和体积分数。从图中可以看出, 在20和210℃条件下, RT态板材存在Brass{011}<211>, Copper{112}<111>, S<123>{634}, D<4 4 11>{11 11 8}这4种β取向线织构。且210℃较之20℃条件下Brass织构、Copper织构和S织构的取向密度和体积分数均大幅度下降, 而D织构没有明显变化;在这两个温度条件下, D织构均为最强的织构类型, 其取向密度和体积分数分别为18, 24.44%和18, 25.68%。而420℃条件下Copper织构消失。Brass织构、S织构、D织构的取向密度均在2.5以下, 体积分数均在6%以下。此外, 出现了少量的E{111}<110>, F{111}<112>两种剪切织构, 以及再结晶织构P{011}<112>织构、和向再结晶转变的中间态织构:
图5为3种不同预热温度下6016铝合金等径角轧制T4P态板材的取向分布图恒φ2 (0°, 45°, 65°) 。图6为图5中所对应的各种织构的取向密度和体积分数。从这两幅图中可以看出, 20℃时存在常见的再结晶织构Cube, 其取向密度和体积分数分别为12, 13.22%。此外还出现了较弱的rCube{001}<110>剪切织构和{422}
图3 不同预热温度条件下RT态合金ODF恒φ2 (0°, 45°, 65°) 截面图Fig.3 Constantφ2ODF sections of RT specimens at different preheat temperatures (a) 20℃; (b) 210℃; (c) 420℃
图4 不同预热温度条件下RT态合金织构取向密度和体积分数Fig.4 Intensity and volume fraction of texture of RT alloys at different preheat temperatures (a) 20℃; (b) 210℃; (c) 420℃
图5 不同预热温度条件下T4P态合金ODF恒φ2 (0°, 45°, 65°) 截面图Fig.5 Constantφ2ODF sections of T4P alloys at different preheat temperatures (a) 20℃; (b) 210℃; (c) 420℃
图6 不同板材预热温度条件下等径角轧制的T4P态合金织构取向密度和体积分数Fig.6 Intensity and Volume fraction of texture with different plate preheat temperatures of T4P alloys as ECAR (a) 20℃; (b) 210℃; (c) 420℃
根据公式 (3) [13]计算斯密特因子μ如表2所示:
式中μ为晶体中某一织构的斯密特因子。从表2中可以看出420℃时, 板材的斯密特因子最大。
2.3力学性能
表3反映了板材预热温度对等径角轧制板材力学性能的影响。从表3中可以看出, 随着预热温度的升高, T4P态板材的成形性能逐渐升高。420℃时T4P态板材的屈服强度、抗拉强度、硬度最低, 而延伸率最高。T8X态板材的屈服强度、抗拉强度、硬度均最高。此外420℃时T4P态板材的塑性应变比加权平均值
表2 不同预热温度条件下T4P态合金斯密特因子Table 2Schmid factors with different preheat tempera-ture of T4P alloys 下载原图
表2 不同预热温度条件下T4P态合金斯密特因子Table 2Schmid factors with different preheat tempera-ture of T4P alloys
3分析与讨论
在多晶体塑性变形过程中各晶粒受到力的作用不同, 变形行为不同, 导致各晶粒的取向不同, 此外各晶体在变形过程中会互相干扰和制约, 导致其取向发生变化。在热变形或热处理过程中晶粒还会发生动 (静) 态再结晶, 使得晶粒取向也发生变化, 最终导致材料的力学性能产生变化, 因此探讨晶粒取向的变化对力学性能的影响机制有积极的意义。
20℃预热条件下, 板材在通过等径角模具转角处发生剪切变形, 板材上、中、下各层受到的剪切应变不同, 变形程度从表层至心部递减, 使得心部的剪切应变最小。各层剪切变形量的差异, 导致驱动再结晶的变形畸变能出现差异, 因此热处理后的T4P态晶粒尺寸呈现上表层≈下表层<中间层的现象。当预热温度升高到210℃时。由温升导致的热效应软化作用与一部分冷变形积累的加工硬化作用相抵消, 导致板材在等径角轧制时所积累的变形畸变能较20℃时减小。使得一方面板材的整体晶粒尺寸较20℃时有所增大, 另一方面板材厚向的再结晶晶粒尺寸差异变小, 均匀性得到提高。而当板材温度升高至420℃时, RT态板材已经发生动态再结晶, 形成了细小的再结晶晶核。变形畸变能得到释放, 界面能降低, 在后续的热处理过程中, 再结晶晶粒较20℃和210℃时变大。
车身板最终服役状态是固溶后的再结晶状态。因此板材最终的再结晶织构与车身板后续冲压成型过程紧密联系在一起的, 而再结晶织构与形变织构也有密切联系。再结晶织构中的Cube织构大量的存在易导致在冲压成型时产生0°/90°制耳, 使得材料的各向异性较大, 不利于冲压成形[16]。而Cube织构的产生与S织构关系密切, S织构取向亚晶较一般的亚晶有更高的平均储能, Cube晶粒与S取向基体具有较好的38.21°<111>取向关系, 这种接近40°<111>取向关系称为重位晶界, 较一般晶界具有较低的界面能[17]。根据GibbsThomson公式[18], 晶核长大的临界半径为:
表3 不同预热温度条件下6016铝合金力学性能Table 3 Mechanical properties of 6016 aluminum alloys at different preheat temperatures 下载原图
表3 不同预热温度条件下6016铝合金力学性能Table 3 Mechanical properties of 6016 aluminum alloys at different preheat temperatures
式中:r为各种取向亚晶的平均晶界能, Pd为再结晶驱动力。故Cube晶核的临界半径Rc较小, 具有较高的形核率。在再结晶初期Cube取向的亚晶主要吞噬S取向的亚晶迅速再结晶并长大, 更易于产生强的Cube织构。从20℃升至210℃至420℃, RT态板材中S织构的取向密度和体积分数均降低, 导致T4P态板材中Cube织构的降低。且20℃温度下等径角变形产生的剪切变形较大, 使得热处理后T4P态板材的再结晶晶核的取向偏离Cube取向, 形成了{001}
式中:F为外力载荷;τs为临界分切应力;σs为屈服强度;A为横截面积;φ为滑移面法线与中心轴线夹角;λ为滑移方向与外力F夹角;μ为斯密特因子。从表2可以看出, 从20℃升温至210℃至420℃, 斯密特因子逐渐增加, 根据公式 (5) 结合上述分析可以推出σs逐渐降低, 这与准静态单轴拉伸实验结果表3相吻合。
4结论
1.在20, 210, 420℃3个温度范围内, 随着温度的升高, T4P态板材的成形性能升高。420℃时T4P态板材具有良好的成形性能, 其δ>29%, σ0.2<110 MPa,
2.在20, 210, 420℃3个温度范围内, 随着温度的升高, RT态板材的Brass, Copper, S织构等形变织构取向密度和体积分数降低;在420℃时出现了少量的再结晶织构。
3.在20, 210, 420℃3个温度范围内, 随着温度的升高, T4P态板材的Cube织构取向密度和体积分数逐渐降低, 斯密特因子逐渐升高;在420℃时出现了少量的P织构、Goss织构和其他一些不常见的织构类型, 各种织构强度较弱。
参考文献