网络首发时间: 2014-04-03 16:24:00

稀有金属 2015,39(08),759-763 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.08.013

轧制驱动ECA大应变加工及后续热处理对5052铝合金力学性能与晶体取向的影响

许晓静 陆文俊 蒋凌 卢予东 王子路 郭云飞

江苏大学先进制造与现代装备工程研究院

摘 要：

采用轧制驱动等通道转角(ECA)大应变技术对退火态5052铝合金进行大应变加工,并对大应变5052铝合金分别进行后续200℃×1 h,350℃×1 h,500℃×1 h的热处理,研究了大应变加工及后续热处理对5052铝合金的硬度、拉伸性能和晶体取向的影响。结果表明,轧制驱动等通道转角大应变技术可以显著提高5052铝合金的硬度与强度,尤其是屈服强度从107上升到275 MPa,硬度从HV60.7~HV115.6,提升幅度高达90%;后续200℃×1 h退火后合金发生一定程度的回复,硬度小幅下降(从HV115.6下降到HV105.8);后续350℃×1 h和500℃×1 h退火使合金的硬度与拉伸性能明显下降,材料发生明显再结晶现象,500℃×1 h退火后合金的力学性能回复到原始状态,但织构强度显著降低,晶体处于无择优取向状态。本文说明轧制驱动等通道转角大应变技术结合后续热处理可以有效调整合金晶体取向,但退火温度超过250℃后材料力学性能难以保证;对于纯铝来说,ECA加工后的后续热处理温度为250℃时,能够获得良好的力学性能和组织均匀性。

关键词：

等通道转角;热处理;力学性能;晶体取向;

中图分类号： TG339

作者简介：许晓静(1967-),男,江苏东台人,博士,教授,研究方向:先进成形及装备制造;电话:13952877885;E-mail:xjxu67@ujs.edu.cn;

收稿日期：2014-01-03

基金：国家自然科学基金项目(51074079)资助;

Mechanical Property and Crystal Orientation of 5052 Al Alloy with Rolling Driven ECA Large Strain Process and Heat Treatments

Xu Xiaojing Lu Wenjun Jiang Ling Lu Yudong Wang Zilu Guo Yunfei

Engineering Institute of Advanced Manufacturing and Modern Equipment Technology,Jiangsu University

Abstract：

Annealed 5052 Al was processed by rolling driven equal channel angular( ECA) large strain technology,and subsequent heat treatments of 200 ℃ × 1 h,350 ℃ × 1 h and 500 ℃ × 1 h were conducted,respectively. The effects of large strain process and subsequent heat treatments on hardness,mechanical property and crystal orientation of 5052 Al were studied. The results indicated that the rolling driven equal channel angular large strain technology could significantly improve the hardness and tensile property of 5052 Al alloys,especially,the yield strength increased from 107 to 275 MPa,and the hardness increased from HV60. 7 to HV115. 6,of which the increasing rate reached 90%; 5052 Al alloy showed a certain degree of recovery and a slight decline of hardness( from HV115. 6 to HV105. 8) after 200 ℃ × 1 h annealing; the hardness and tensile property of 5052 Al alloy fell dramatically due to the obvious recrystallization after 350 ℃ × 1 h and 500 ℃ × 1 h annealing heat treatments; 500 ℃ × 1 h annealing made the mechanical property of 5052 Al alloy revert to its original state,but significantly reduced the intensity of texture,which led to a non-preferred orientation state. This work illustrated the contribution of rolling driven equal channel angular large strain technology and subsequent annealing heat treatment to the adjustment of alloy crystal orientation,and also showed that the mechanical property might not be favorable when annealing temperature was above 250 ℃; as for pure aluminum,it was possible to obtain good mechanical properties and microstructure uniformity when the subsequent heat treatment temperature was 250 ℃ after ECA processing.

Keyword：

equal channel angular; heat treatment; mechanical property; crystal orientation;

Received： 2014-01-03

近年来,超细晶材料( 包括纳米材料和亚微晶材料) 由于许多不寻常的物理、化学和力学性能, 极大地引起了人们的关注。20世纪80年代前苏联科学家Segal提出了等 截面通道 角形挤压 法 ( ECAP,equal channel angular pressing) ,现已发展成为细化和调控材料内部组织结构、大幅提高材料性能一个重要方法^[1,2,3,4]。但由于其本身的结构特点,使得传统的ECAP不能进行长工件连续生产, 大大降低了其产业化的应用进程。

21世纪初,一些研究机构和学者探索并发展了连续ECAP技术,如C2S2法、Conshearing、 ECAP-Conform法^[5,6]等,这些技术都是依靠单轮或单对轮提供摩擦驱动力实现大应变加工,由于驱动力不足的缺点,在变形过程中,试样容易出现严重的打滑现象、表面平整度较低。

已有学者^[7,8,9,10]提出轧制驱动等通道转角大应变技术( Roll-ECAP,rolling-driven equal channel angular) 首先使用1 - 4对轧制轮对工件进行轧制变形,并利用轧制驱动力将轧制后的工件连续送入等通道转角ECA模具中,使工件产生近似于纯剪切的变形^{[11,12,13,14,15,16]},从而进行大应变加工并连续输出成品金属材料。该技术综合了轧制技术连续生产、 驱动力大的特征与等通道转角技术剪切应变大、 对晶体取向调控能力大、组织细化程度高的特征, 使轧制驱动等通道转角技术可以有效调节合金晶体取向。

晶体取向是影响合金板料塑性成形各向异性的一个关键因素,此前的研究主要停留在连续ECAP技术对材料性能的影响,并未涉及后续热处理工艺。本文以5052铝合金为实验材料,研究轧制驱动等通道转角大应变加工及后续热处理对5052铝合金的硬度、拉伸性能与晶体取向的影响, 以期为大应变技术的后续性能优化提供科学依据。

1实验

试验用5052铝名义化学成分为( % ,质量分数) Mg 2. 0 ~ 2. 8,Cr 0. 15 ~ 0. 4,Fe + Si ≤0. 6 ( Fe ≤ 0. 4,Si≤0. 4) ,Cu≤0. 1,其他元素单个≤0. 1、总量≤0. 8,其余为Al。坯料的横截面尺寸为10 mm × 4 mm、长度为500 ~ 1000 mm,经520 ℃ × 2 h风冷热处理后进行大应变加工。大应变加工采用轧制驱动等通道转角大应变技术。轧制压下量为50% ,异步轧速 比 ( 主动轧辊: 从动轧辊 ) 为0. 100: 0. 073 ( rad·s^{- 1}) ; ECAP模具的通道的尺寸为20 mm × 2 mm; 实验经有限元动态模拟计算,得出加工全过程的有效应变约为1. 5( 其中异步轧制的等效应变为0. 78,弯曲变形的有效应变约为0. 06,ECAP变形的有效应变约为0. 64) 。

用TA instruments-DSC2910型差示扫描量热计 ( DSC) 测定的回复再结晶等行为,升温速率为10 ℃·min^{- 1}。用HV-1000型硬度计测量硬度,加载时间为20 s,加载载荷为1. 96 N。拉伸试样沿着长度方向取样,标距长、宽、厚的尺寸分别为7,4, 2 mm。用WDW-200型微机控制式万能试验机测试室温拉伸性能,初始应变速率为1. 0 × 10^{- 3}s^{- 1}。用JEM-7000F型高分辨率场 发射扫描 电子显微 镜 ( SEM) ( 带有英国牛津公司INCA-350型能谱仪) 观察微观组织。用D/max-2500PC型X射线衍射仪 ( XRD) 测定衍射峰及其半高峰宽,扫描速率为5 ( °)·min^{- 1},Cu靶Kα 线,波长为0. 154056 nm。

2结果与讨论

2. 1大应变加工及后续热处理对5052铝合金硬度的影响表1列出了大应变加工( 室温) 及后续热处理后5052铝合金硬度的变化情况。可以看出,大应变加工大幅度提高了5052铝合金的硬度, 从HV60. 7 ~ HV115. 6,提升幅度高达90% ,这是由于大应变加工使得材料内部的位错和晶界面积增加。图1为大应变加工及后续热处理后5052铝合金的DSC分析结果。可以看出,大应变加工后5052铝合金合金在0 ~ 500 ℃ 范围内其DSC曲线出现了代表再结晶的吸热峰,其峰值温度为244. 2 ℃ 。后续200 ℃ 热处理硬度有小幅度下降,这是由于200 ℃时材料发生一定程度的回复,并且残余应力减少; 但是后续350 ℃热处理使硬度出现明显下降,这是由于350 ℃的热处理温度高于此时合金的再结晶温度,材料发生了再结晶,再结晶引起的材料软化效果大于回复; 后续500 ℃ × 1 h热处理则使硬度进一步降低,回复到大应变技术加工前的水平。

表1 大应变加工及后续热处理后 5052 铝合金的硬度 Table 1 Hardness of 5052 Al alloys after large strain processing and subsequent heat treatment  下载原图

表1 大应变加工及后续热处理后 5052 铝合金的硬度 Table 1 Hardness of 5052 Al alloys after large strain processing and subsequent heat treatment

图1 大应变加工后 5052 铝合金的 DSC 分析结果 Fig.1 DSC analysis of 5052 Al alloy after large strain processing

2. 2大应变加工及后续热处理对5052铝合金拉伸性能的影响图2为大应变加工及后续500 ℃ × 1 h热处理后5052铝的拉伸变形应力-应变曲线。可以看出,大应变加工大幅度提高了材料的屈服强度,从 ~ 107 MPa到 ~ 275 MPa,提升幅度高达157% 。虽然大应变加工后合金的塑性有所降低,但仍具有一定的塑性( 延伸率约为16% ) 。后续500 ℃ × 1 h的热处理使材料的拉伸性能回复到加工前的水平。

图3为轧制驱动等通道转角大应变技术加工前后5052铝合金的拉伸断口SEM形貌。可以看出,未经大应变加工的5052铝合金的断口表面以尺寸粗大的韧窝为主,而经大应变加工的5052铝合金的断口表面以微米级的剪切单元为主,这与其强度的变化是一致的。

图2 大应变加工及后续 500 ℃ × 1 h 热处理后 5052 铝合 Fig.2 Tensile property of 5052 Al alloys after large strain processing and subsequent 500 ℃ × 1 h heat treatment

图3 大应变技术加工后 5052 铝合金的拉伸断口 SEM 形貌 Fig.3 SEM images of 5052 Al alloy tensile fracture surfaces after large strain processing

( a) Initial state; ( b) Roll-ECAP state

因此,若要获得较高的强度与硬度,ECA加工后的5052铝合金的后续 热处理温 度应控制 在250 ℃ 以内,防止材料发生严重再结晶现象。

2. 3大应变加工及后续热处理对晶体取向的影响

图4为大应变加工及后续热处理后5052铝的XRD分析谱。图5为晶体无择优取向铝的XRD谱。比较图4( a ~ e) 及图5可以看出,大应变加工降低了织构强度,后续热处理对经过大应变加工的5052铝合金的XRD谱都有一定的影响,其中500 ℃ × 1 h热处理极大地降低了织构强度,使得XRD图谱与晶体无择优取向铝的XRD图谱非常接近,说明大应变加工结合后续热处理能显著地降低合金中的织构强度,提高合金的组织均匀性,这与ECAP过程中材料受到近似纯剪切变形后晶粒细化和退火过程中发生再结晶有关,但是其具体机制还有待进一步研究。

图4 大应变加工及后续热处理后 5052 铝合金的 XRD 分析谱 Fig.4 XRD patterns of 5052 Al alloys after large strain processing and subsequent heat treatments

( a) Initial state; ( b) Roll-ECAP; ( c) Roll-ECAP-200 ℃ /1 h; ( d) Roll-ECAP-350 ℃ /1 h; ( e) Roll-ECAP-500 ℃ /1 h

图5 无择优取向纯铝粉末的 XRD 谱 Fig.5 XRD pattern of random pure Al powders

3结论

1. 轧制驱动等通道转角大应变加工提高了5052铝合金的硬度和强度,但是合金的延伸率有所下降。但后续500 ℃ × 1 h热处理使ECA加工后的材料发生再结晶,其力学性能回复到退火状态。

2. 大应变加工结合后续热处理极大地降低了织构强度,尤其是500 ℃ × 1 h热处理后的XRD图谱与晶体无择优取向铝的XRD图谱非常接近。

3. 研究结果说明轧制驱动等通道大应变技术是一种大幅提高材料强度的有效手段,同时也说明ECA加工结合后续热处理能够有效调整晶体取向。

4.对于纯铝来说,ECA加工后的后续热处理温度为250 ℃时,能够获得良好的力学性能和组织均匀性。