ABSTRACT

Taking 3003 aluminum alloy as the research object, the effects of cold rolling rate and annealing temperature on the microstructure and properties of the sheet were studied. The results show that the work hardening of 3003 alloy sheet is significant. With the increasing of cold rolling deformation, the tensile strength and yield strength of alloy plates increase gradually, while the elongation decreases. And during the annealing of the finished product, recovery and recrystallization occur within the alloy. As the annealing temperature increases, the tensile strength and yield strength gradually decrease, and the elongation gradually increases.

Keywords:3003 Aluminum Alloy, Cold Rolling Deformation, Annealing Temperature, Microstructure and Properties

工艺参数对3003铝合金组织与 性能的影响

王绎潭¹，戴青松^1,2，付平¹，赵明伟¹

¹广西柳州银海铝业股份有限公司，广西 柳州

²中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙

收稿日期：2018年5月4日；录用日期：2018年5月20日；发布日期：2018年5月29日

摘 要

以3003铝合金为研究对象，研究了冷变形量及退火温度等因素对3003铝合金板材组织与性能的影响。结果表明：3003铝合金在冷变形时加工硬化现象，随着冷变形量的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐增加，而延伸率逐渐减小；而在成品退火时合金内部发生了回复与再结晶，随着退火温度的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐减小，而延伸率逐渐增加。

关键词 :3003铝合金，冷变形，退火温度，组织与性能

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1. 引言

3003铝合金属于Al-Mg系不可热处理强化铝合金。由于其具有密度小、良好的加工性能、耐腐蚀性能以及散热性能等特点，广泛应用于热交换器、化工、建筑等领域 [1] [2] 。3003铝合金板材是一种常用的高表面、高性能要求且具有高附加值的铝合金板材，对表面质量、性能以及板型等方面要求较高，具有较大的生产价值 [3] 。因此，本文通过研究不同工艺参数对3003铝合金组织与力学的影响规律，为3003铝合金板材的生产提供理论依据。

2. 实验材料与方法

2.1. 实验材料

实验材料为7 mm厚3003铝合金热轧坯料，其化学成分如表1所示。

2.2. 实验方法

将7 mm厚度的热轧坯料进行冷轧，然后经420℃/2 h中间退火后，预留不同的冷加工率(15%、20%、25%、30%、35%)，以研究冷变形量对3003铝合金组织与性能的影响；将7 mm厚度的热轧坯料进行冷轧到成品厚度，然后将板材进行退火处理，退火温度分别为200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃和400℃，退火时间为2 h，以研究退火温度对3003铝合金组织与性能的影响。

在MTS809材料试验机上分别测试3003合金不同冷轧加工率和不同退火制度时的室温拉伸性能；在OLYMPUS金相显微镜CX31下观察不同状态下经打磨、抛光以及使用Keller试剂浸蚀的3003金相试样的显微组织。

表1. 3003铝合金化学成分(质量分数%)

3. 实验结果

3.1. 冷变形量对3003铝合金力学的影响

图1所示为中间退火后经不同变形量(15%、20%、25%、30%、35%)轧制到成品厚度时3003铝合金板材的力学性能。从图中可知，随着冷变形量的增大，合金的抗拉强度、屈服强度增加，而延伸率降低。且当冷变形量在15%~25%之间变化时，3003铝合金板材的抗拉强度和屈服强度分别增加了23和20 MPa，延伸率减少了2%；当冷变形量在25%~35%之间变化时，3003铝合金板材的抗拉强度和屈服强度分别增加了31和37 MPa，延伸率减少了5%。

3.2. 冷变形量对3003铝合金组织的影响

如图2所示为不同冷变形量下3003铝合金板材的显微组织。可以看出，3003铝合金在经过420℃/2 h中间退火后已完全再结晶如图2(a)所示，经冷变形后，晶粒沿着轧制方向被拉长，且随着冷变形量的增加，拉长的幅度也逐渐增大。如图2(b)所示，中间退火后再进行15%的冷变形量，晶粒基本没发生变化；当冷变形量增加到20%时，晶粒呈现出轻微的沿轧制方向拉伸，如图2(c)所示；当冷变形量继续增加到35%时，晶粒呈现出更加明显如纤维状的条纹，如图2(d)所示。

3.3. 退火温度对3003铝合金力学的影响

如图3所示为3003铝合金板材经退火后的力学性能，可以看出，随着退火温度的增大，3003合金板材的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而延伸率则逐渐增大。但在不同的退火温度区间范围内，其变化程度有所不同。退火温度在240℃以下时，3003合金板材力学性能变化较为平缓，合金板材的抗拉强度和屈服强度分别降低35和26 MPa，而延伸率仅增加1%；退火温度在240℃~300℃之间时，3003合金板材力学性能变化较为显著，合金板材的抗拉强度和屈服强度分别降低72和113 MPa，而延伸率增加29%；而退火温度在300℃以上时，合金板材的抗拉强度和屈服强度基本保持不变，而延伸率则有一定程度的增加。

图1. 3003铝合金冷变形量对性能的影响

图2. 3003铝合金不同变形量下的显微组织。(a) 中间退火态；(b) 15%；(c) 20%；(d) 35%

图3. 3003铝合金退火温度对性能的影响

3.4. 退火温度对3003铝合金组织的影响

如图4所示为不同退火温度时3003铝合金的显微组织。可以看出，3003铝合金在经过71%的冷变形后，晶粒沿着轧制方向被拉长、压碎，形成大量亚晶界等小角度晶界，导致大量位错堆积，最终呈现出明显的纤维状组织特征，如图4(a)所示。合金板材在经过退火处理后，晶粒吸收了能量，板材的组织和性能将产生较大的变化，当退火温度在240℃以下时，合金板材主要发生回复，点缺陷和位错运动加剧，纤维状组织逐渐消失；当退火温度在240~300℃之间时，虽然纤维状组织并未完全消失，但部分晶粒发生了再结晶，如图4(b)所示。随着退火温度进一步增加至300℃时，合金板材中的纤维状组织已完全消失，呈现出明显的再结晶特征，如图4(c)所示。当退火温度继续增加时，发生了再结晶组织的长大，如图4(d)所示。

4. 分析与讨论

3003铝合金板材在冷变形时晶粒沿着轧制方向被拉长，当变形量达到一定程度时，各个晶粒之间已经不能清楚的辨别开来，晶粒将呈现出纤维状 [4] ，这也是文中图2(d)金相组织呈纤维状分布的原因。在冷变形时，合金内部不断发生塑性变形，导致位错密度也不断增加，位错反应和相互作用增强，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，使得合金继续产生变形变得困难，在力学上则表现为合金的抗拉强度和屈服强度增大 [5] 。因此当冷变形量达到35%时，力学性能及折弯性能均不满足板材使用要求。

图4. 3003铝合金不同退火温度下的显微组织。(a) 冷轧态；(b) 280℃；(c) 300℃；(d) 400℃

3003合金板材经过冷变形后，点缺陷、位错等结构缺陷密度增加，晶格畸变能增大，此时合金处于一种热力学不稳定的高自由能状态。在经过退火处理后，晶粒吸收了能量，当退火温度达到一定程度时，将出现新的等轴晶粒，合金内部发生了回复与再结晶 [6] [7] 。文中当3003铝合金退火温度在240℃以下时，抗拉强度略有降低，但幅度较小，表面此时合金内部组织处于回复阶段。由于退火温度较低，不足以引起晶粒内变形储能，只能使其在加工硬化中形成的点缺陷和位错在加热过程中发生迁移，亚组织发生了多边化，位错重新排布，亚晶粒粗化，即位相差很小的两个或多个亚晶粒通过位错的攀移等运动形成一个较大的压晶粒 [8] 。退火温度在240℃~300℃之间时，3003合金板材力学性能变化较为显著，此时在合金内部个别区域出现了细小晶粒，开始发生了再结晶。再结晶的发生使得3003合金板材位错密度降低，因此3003合金板材经退火处理后强度降低，塑性提高，同时使其折弯性能得到提高，在280℃退火时可以获得强度适中，折弯性能优异的板材。当退火温度在300℃以上时，力学性能基本保持不变，此时合金已完全再结晶，晶粒将开始长大如图4(d)所示。

5. 结论

1) 3003铝合金在冷变形时加工硬化现象，随着冷变形量的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐增加，而延伸率逐渐减小；其显微组织表现为晶粒沿着轧制方向被拉长，且随着冷变形量的增加，拉长的幅度也逐渐增大，晶粒最终呈现出如纤维状的条纹。

2) 3003铝合金在成品退火时，随着退火温度的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐减小，而延伸率逐渐增加；其显微组织表现为点缺陷和位错运动加剧，纤维状组织逐渐消失，合金内部发生了回复与再结晶。

基金项目

广西创新驱动重大专项(桂科AA17202011)、广西科技计划项目(桂科AA16380039)。

文章引用

王绎潭,戴青松,付 平,赵明伟. 工艺参数对3003铝合金组织与性能的影响
Effect of Process Parameters on Microstructure and Properties of 3003 Aluminum Alloy[J]. 材料科学, 2018, 08(05): 603-608. https://doi.org/10.12677/MS.2018.85071

参考文献