再结晶退火对ECAP变形5083铝合金力学性能的影响

时间：2024-08-31

党振乾，程玲

(1.黑龙江科技大学科技处，哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心，哈尔滨150022)

等通道转角挤压变形(Equal channel angular pressing，ECAP)技术是在不改变工件横截面积的前提下，引入纯剪切形变的一种塑性加工技术。利用该技术，可以获得大尺寸的亚微米甚至纳米级块体材料［1－2］。ECAP工艺在镁合金、铝合金、铜合金和钛合金加工方面均得到广泛应用，不仅细化了材料晶粒，还提高了材料的力学性能［3］。

再结晶退火是对经过冷加工变形的合金材料进行低温退火热处理，合金材料在热处理过程中再结晶，消除了因为加工变形而产生的加工硬化现象以及内应力，使金属材料的塑性恢复至变形前的水平，合金的组织变为细小的等轴晶粒。再结晶退火主要用于低碳钢、硅钢薄板、有色金属和各种冷加工的板、管、型、丝和带等金属制品［4－5］。

5083铝合金作为一种耐蚀铝合金，具有中等强度及良好的成型性能，在轮船、汽车、飞机等零部件上均有广泛应用［6］。由于5083铝合金属于Al-Mg系铝合金，不能够进行热处理强化，所以该合金的强化形式主要是加工硬化。5083铝合金在等通道转角挤压过程中，会发生较剧烈的变形，其位错在变形过程中会发生堆积和缠结，并形成胞状的结构，进一步生长形成位错墙和亚晶界，从而将晶粒进行分割，达到细化晶粒的目的。与此同时，晶内的位错群向晶界处迁移，并在晶界上产生湮灭和堆积，从而使晶界的位相差发生变化，促使小角度晶界向大角度晶界转化。等通道转角挤压过程中，第二相组织Mg17Al12呈散乱的分布状态，强化效果明显，但存在各相异性的现象，材料的组织和性能不均匀。经过塑性变形后，合金的强度提高，塑性和韧性下降，为使其塑性达到变形前的水平，需要进行再结晶退火处理［7－9］。

为改善5083铝合金的力学性能，先后对其进行一道次等通道转角挤压处理及再结晶退火处理，再进行拉伸实验，分析变形温度、变形速率对合金伸长率和抗拉强度的影响，并观察合金的断口形貌。

1 实验

1.1 材料

实验采用5083铝合金，其化学成分见表1。等通道转角挤压采用经过常规冷轧后的5083板材原料。

表1 轧制态5083铝合金的化学成分Table 1 Chemical composition of 5083 aluminum alloy

1.2 方法

1.2.1 等通道转角挤压工艺

等通道转角挤压实验原料为轧制态的5083铝合金棒材，挤压模具自行设计，挤压原理示意如图1所示。模具参数如下:两个通道之间的相交角度φ=90°，外接弧角ψ=37°，外接弧半径R=0.5 mm，通道尺寸为14 mm×14 mm。挤压道次为一道次，挤压温度为200℃，挤压速度为2 mm/s，润滑剂采用7025高温润滑脂。

图1 等通道转角挤压原理示意Fig.1 Schematic principle for ECAP

1.2.2 再结晶退火工艺

采用电阻炉对等通道转角挤压后的5083铝合金进行再结晶退火。再结晶退火的温度主要取决于冷变形程度，变形程度越小，金属中畸变能越低，再结晶的驱动力越小，则再结晶温度越高。由于等通道转角挤压属于剧烈塑性变形，变形程度较大，实验采用的再结晶温度为270℃，保温1 h，空气中冷却至室温。

1.2.3 拉伸实验

拉伸实验在CMT5305微机控制电子万能实验机上进行，拉伸过程中实验机夹头的速度恒定，应变速率不变，试样拉伸至断裂为止。拉伸试样尺寸如图2所示，其厚度为2 mm。拉伸温度分别为100、200、300℃，拉伸应变速率选取1.67×10－4、3.33×10－4、6.67×10－4s－1。

图2 拉伸试件尺寸Fig.2 Tensile sample

1.2.4 断口形貌观察

利用CamScan MX2600扫描电子显微镜，观察不同拉伸温度下应变速率为1.67×10－4s－1的断口形貌。扫描电子显微镜工作电压为20 kV。

2 结果与讨论

2.1 拉伸温度与速率对合金力学性能的影响

表2给出了100、200、300℃下，应变速率为1.67×10－4、3.33×10－4和6.67×10－4s－1的合金拉伸实验结果。比较表2的数据可知，在拉伸温度为100℃、应变速率为6.67×10－4s－1时，合金的抗拉强度最高，为319.7 MPa;当拉伸温度为300℃，应变速率为1.67×10－4s－1时，合金的伸长率最大，为75.8%。

表2 不同温度下试样的拉伸实验数据Table 2 Tensile test data of specimen under different temperatures

影响材料塑性变形的主要因素为变形速度、变形温度和应力状态。在拉伸实验过程中，变形速度和变形温度是变化的，而应力状态始终控制为拉应力状态。在应变速率为1.67×10－4s－1时，由于应变速率较低，没有热效应现象产生，所以在此应变速率条件下，加工硬化、原子间作用力降低，以及再结晶软化是影响材料塑性性能的主要原因［10］。通过铝镁合金相图［11］可以查出，5083铝合金的再结晶温度为200℃左右，所以在温度低于200℃时，由于温度的升高金属原子间的作用力下降，位错运动的阻力下降，材料的抗拉强度和伸长率均下降。当温度超过200℃时，再结晶软化的作用效果比较明显，当应变速率升高到3.33×10－4s－1时，热效应现象出现，合金的再结晶程度加剧，再结晶软化的作用效果明显高于加工硬化的作用效果，导致材料的强度下降，而伸长率提高。

2.2 拉伸变形应力－应变曲线

图3为不同拉伸温度条件下合金的应力－应变曲线。从图3中可以看出，100、200℃时，合金材料随着应变量的增加，均表现为应变硬化;300℃且应变速率为1.67×10－4和3.33×10－4s－1时，合金材料随着应变量的增加，表现为先应变软化后应变硬化;在应变速率为6.67×10－4s－1时，表现为应变硬化。

图3 不同温度下试样拉伸变形的应力－应变曲线Fig.3 Curves of stress-strain under different temperature

5083铝合金在拉伸变形过程中出现应变硬化和软化现象的原因是，在高应变速率拉伸时，晶粒发生了细化，流变应力较大，容易出现动态再结晶现象。在塑性变形开始阶段，加工硬化现象明显，变形应力随应变的增加而急剧增大，并到达峰值。增大应变速率可使加工硬化现象加剧，同时峰值应力所对应的应变值增大。在稳态变形阶段，变形应力随应变的增加而下降，动态再结晶的软化效果大于加工硬化的强化效果，总体上呈现应变软化的现象。此时，动态再结晶所引起的晶粒细化会导致加工硬化加剧，超过变形开始阶段的峰值，使得动态再结晶软化效应与热加工硬化效应处于相对平衡状态。通过观察应力－应变曲线可以发现，稳态变形阶段，曲线并不光滑，而呈细小的锯齿状，这是动态再结晶与加工硬化相互竞争、强化与软化交互占优的结果。