Material Sciences
Vol.4 No.04(2014), Article ID:13831,5 pages
DOI:10.12677/MS.2014.44021

The Effect of Annealing Technics on the Microstructures and Properties of 5083 Aluminum Alloy Sheet

Hengyang Lu1,2, Yunlai Deng1,2, Qingsong Dai1,2, Jiaqi Zhang1,2, Ping Fu1,2

1School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha

2Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Central South University, Changsha

Email: dai19890206@sin.com, luckdeng@mail.csu.edu.cn

Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.

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Received: May 22th, 2014; revised: Jun. 19th, 2014; accepted: Jun. 26th, 2014

ABSTRACT

The effect of annealing technics on the microstructures and properties of 5083 aluminum alloy sheet were analysed by metallography, tensile testing, deep drawing and texture analysis. Results indicated that: the sheet started to recrystallize after 270℃/1 h annealing and recrystallization finished after 360℃/1 h annealing. The strength of 5083 Al declined while elongation rised after annealing. The sheet without annealing treatment was prone to generate cracks at the bottom of the cup under deep drawing cups testing, and the deep drawing performance was improved after annealing. The earing rate was only 2.44% when the annealing technics was 360℃/1 h. The texture detection analysis found that the deformation textures of cold-roll sheet were strong, while deformation textures declined and recrystallization textures enhanced after 360℃/1 h annealing.

Keywords:5083 Aluminum Alloy, Annealing Technics, Microstructures and Properties

退火工艺对5083铝合金板材组织性能的影响

卢恒洋1,2,邓运来1,2,戴青松1,2,张佳琪1,2,付  平1,2

1中南大学,材料科学与工程学院,长沙

2中南大学,有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,长沙

Email: dai19890206@sin.com, luckdeng@mail.csu.edu.cn

收稿日期:2014年5月22日;修回日期:2014年6月19日;录用日期:2014年6月26日

摘  要

采用金相观察、室温拉伸、冲杯实验、织构分析等方法分析了不同退火制度对5083铝合金板材组织性能的影响。分析结果表明:5083铝合金板材经270℃/1 h退火后开始发生再结晶,360℃/1 h退火后实现完全再结晶;板材随着退火温度的升高抗拉强度与屈服强度呈下降趋势,延伸率呈上升趋势;未经退火处理的冷轧板深冲时底部容易出现裂纹,退火后深冲性能得到改善,经360℃/1 h退火的板材深冲性能最好,制耳率为2.44%;经织构检测分析发现冷轧板具有强的形变织构,经360℃/1 h退火后形变织构减弱,再结晶织构增强。

关键词

5083铝合金,退火工艺,组织性能

1. 引言

5083铝合金属Al-Mg系不可热处理强化型变形铝合金,具有质量轻、中等强度、良好的成型性能、耐蚀性能、焊接性能等特点,因此广泛应用于车辆、船舶、航空航天等交通运输制造业及罐料制造业等领域[1] -[3] 。5083铝合金板材经冷轧变形后,强度提高,而塑性降低,给后续深冲等冷变形加工带来困难,因此在进行成型工艺之前常需要对板材进行退火处理,以改善板材的成型性能[4] -[5] 。本文将对冷变形量为80%的5083板材在不同温度下进行退火处理,对板材组织性能进行检测,分析退火制度对5083铝合金板材组织性能的影响。

2. 实验材料和实验方法

本文实验用材料为5.0 mm厚5083-O态热轧板,其化学成分如表1所示。

将热轧板冷轧至1 mm,冷变形量为80%,从冷轧板上截取样品分别进行如下处理:不退火、270℃/1 h退火、300℃/1 h退火、330℃/1 h退火、360℃/1 h退火、390℃/1 h退火,并将样品分别记为1#、2#、3#、4#、5#、6#。对6组样品进行金观察与纵向室温拉伸检测,分析不同退火制度对金相组织与力学性能的影响;对1#、4#、5#、6#等4组样品进行冲杯实验,分析退火制度对深冲性能的影响;采用Brucker D8 Discovery测量1#、5#样品的{111}、{200}、{220}、{113} 4 个不完全极图,运用球谐函数级数展开法求出l = 34时的取向分布函数(ODF),采用PSO织构组分法计算真ODF,并应用Texture Calc软件导出取向线,分析退火工艺对织构组态的影响[6] -[8] 。

Table 1. Chemical composition table (wt%)

表1. 化学成分表(wt%)

3. 实验结果与分析

3.1. 金相组织

图1为6种不同热处理制度下样品的纵截面金相组织图。未经退火处理的1#样品金相组织沿轧向呈纤维状分布,这也是典型的冷轧金相组织;样品2#的金相照片中的个别区域出现了孤立的小晶粒,这说明冷轧板经270℃/1 h退火后开始发生再结晶;经300℃退火后的3#样品发生了明显的再结晶现象,细小晶粒明显增多,且逐步取代周围的纤维组织;随着退火温度的升高,再结晶程度进一步提高,当退火温度升高到360℃时,细小晶粒已经完全取代冷轧态的纤维组织,板材已经实现完全再结晶;当退火温度进一步提高到390℃时,晶粒开始长大。6组样品的金相组织说明退火温度对板材金相组织影响较为明显,温度越高,再结晶越程度越高,当温度超过了板材的完全再结晶温度时,晶粒开始长大。

3.2. 力学性能

图2为6种样品的力学性能检测结果。从检测结果可知冷轧板具有较高的抗拉强度与屈服强度,抗

Figure 1. Metallographic structure (×50)

图1. 金相组织 (×50)

Figure 2. Mechanical properties

图2. 力学性能

拉强度达412 Mpa,屈服强度达390 MPa,而延伸率只有8%。板材经270℃/1 h与300℃/1 h退火后力学性能变化较大抗拉强度与屈服强度都明显下降,而延伸率明显升高。在300℃以上对板材进行退火时,抗拉强度与屈服强度依旧有所下降,延伸率有所提高,但是变化不明显,抗拉强度σb保持在300~310 Mpa左右,屈服强度σ0.2在140~150 Mpa左右,延伸率δ在23%~25%左右。

3.3. 深冲性能

图3为板材的深冲样品图。未经退火的1#样品冲杯时底部出现断裂,而退火后的样品表现出良好的深冲性能,不但未出现裂边,而且制耳率都较低。

采用公式(1)对4#、5#、6#板材深冲后杯子的制耳率进行计算,计算结果如表2所示。从表2可知5083铝合金冷轧板经360℃/1 h退火后板材的深冲性能最好,其制耳率只有2.44%。

(1)

式中e为制耳率;hmax为杯子所有制耳波峰的平均高度;hmin为杯子所有制耳波谷的平均高度。

3.4. 织构

1#与5#样品在不同取向线上织构组态的分布如图4所示。从图4(a)中的α取向线及图4(b)中的β取向线织构强度f(g)值可知,未退火的1#与经过360℃/1 h退火的5#样相比,1#样的Cu织构({112}<111>)、S织构({123}<634>)、黄铜织构({011}<211>)明显强于5#样,其强度是5#样的3倍左右,Cu织构({112}<111>)、S织构({123}<634>)、黄铜织构({011}<211>)是铝合金在轧制过程中产生的典型轧制织构,这说明1#样品具有很强的轧制织构。从图4(c)中Cube-ND取向线可以看出5083铝合金板经360℃/1 h退火后立方织构({001}<100>)与旋转立方织构({001}<110>)明显增强,其强度接近于1#样的2倍,立方织构({001}<100>)又叫再结晶织构,是铝合金退火后发生再结晶时产生的织构,从Cube-ND取向线可以看出5#样品产生了较强的再结晶织构。两组样品的织构组态表明冷轧板经360℃/1 h退火后轧制织构强度

Figure 3. Samples of deep drawing

图3. 深冲样品

Table 2. Earing ratio (%)

表2. 制耳率(%)

(a) (b) (c)

Figure 4. The analysis results of orientation line, (a) α fiber; (b) β fiber; (c) Cube-ND

图4. 取向线分析图,(a) α取向线;(b) β取向线;(c) Cube-ND取向线

减弱,而再结晶织构强度增强。

4. 分析与讨论

铝合金板材经冷轧过程中晶粒沿着主变行方向拉长,当变形量很大时,各个晶粒已经不能很清楚的辨别开来,晶粒将呈现出纤维状,这也是文中1#样品金相组织呈纤维状分布的原因。在冷轧过程中,位错将相互纠缠在一起形成包状亚结构,随着变形量的增大,位错变得更稠密,产生明显的加工硬化,同时发生了晶内及晶间破坏,晶格产生了畸变,出现了残余应力,因此1#样品的强度较高,塑性降低,同时使其在深冲过程中容易在底部产生裂纹[9] -[10] 。板材在冷轧过程中,各个晶粒滑移伴随着晶粒取向相对于外力有规则的转动,晶粒取向逐渐调整为大体趋于一致的分布状态,因此1#样呈现出较强的Cu织构({112}<111>)、S织构({123}<634>)、黄铜织构({011}<211>)等形变织构特征。而强烈的形变织构对板材的深冲性能是不利的,在深冲过程中容易产生45˚方向制耳[11] -[12] 。

板材经冷轧后空位、位错等结构缺陷密度升高,畸变能升高,处在一个热力学不稳定的高自由能状态。重新加热退火后,晶粒吸收能量,板材的组织性能将发生很大的变化,在温度达到一定程度时,无畸变的等轴新晶粒将逐渐取代变形晶粒,因此文中5083冷轧板经270℃/1 h退火后后在个别区域出现了细小晶粒,即开始发生再结晶现象,经360℃/1 h退火后发生了完成再结晶,当进一步升高温度时,晶粒将开始长大[9] -[10] 。再结晶的发生使得板材位错密度降低,因此5083板材经退火处理后强度降低,塑性提高,同时使其深冲性能得到提高。但是当退火温度高于300℃时,力学性能虽有变化,但是变化不明显,这主要是当退火温度提高到300℃时,纤维组织已经很大程度被细小晶粒取代,板材已经发生了明显的再结晶,位错密度明显减小,加工硬度已很大程度被消除,当温度提高到330℃或360℃时,再结晶程度虽然进一步提高,但是组织变化已经不明显,当温度提高到390℃时晶粒虽然开始长大,但是退火时间只有1 h,晶粒还来不及发生明显的长大,因此当退火温度大于300℃时,力学性能并没有因温度的提高而发生明显的变化。此外,再结晶将使晶粒组织的取向重新分布,因此经360℃/1 h退火的样品形变织构强度减小,而立方织构({001}<100>)与旋转立方织构({001}<110>)增强,立方织构有利于减小形变织构给板材深冲性能带来的不利影响,文中冷轧量为80%的5083铝合金板材经360℃/1 h退火后形变织构与再结晶织构强度配比合理,因此其制耳率只有2.44%[11] -[12] 。

5. 结论

1) 变形量为80%的5083铝合金板材经270℃/1 h退火后开始发生再结晶,随着退火温度的升高,再结晶程度越高,经360℃/1 h退火实现完全再结晶,当温度进一步升高时,晶粒开始变得粗大。

2) 5083板材在270℃~300℃范围内退火时,强度明显下降,而延伸率升高,在300℃~390℃范围内退火板材力学性能变化不明显。

3) 变形量为80%的5083铝合金冷轧板在深冲时容易出现底部断裂,在330℃~390℃范围内对板材进行退火后板材的深冲性能明显改善,板材经360℃/1 h退火后深冲性能最好,制耳率为2.44%。

4) 5083铝合金冷轧板呈现出较强的Cu织构({112}<111>)、S织构({123}<634>)、黄铜织构({011}<211>)等形变织构特征,板材经360℃/1 h退火后形变织构减弱,立方织构({001}<100>)与旋转立方织构({001}<110>)增强,有利于深冲性能的改善。

基金项目

肇庆市科技计划项目(编号:201210903),国家重点基础研究发展计划(“973”)项目(编号:2012CB619500)。

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