冷加工与退火工艺对5052铝合金组织及力学性能的影响

时间：2024-08-31

徐遥

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

5×××系铝合金属于变形铝合金中的Al-Mg合金（Mg是其主要合金元素），是热处理不可强化铝合金，具有中等强度，有较好的耐蚀性、加工性能与焊接性能，应用较广。5×××系铝合金一般在退火、冷作硬化加稳定化处理状态下使用。冷变形的Al-Mg合金自由能升高而处于不稳定状态，因为镁含量较高，在室温下长期存放时，易产生“时效软化”现象。采用100～200℃短时间加热的稳定化处理可消除这一现象，使显微组织中的析出物呈细小微粒状均匀地分布于晶内和晶界上。稳定化处理后的铝合金材料力学性能稳定且耐应力腐蚀性能好[1]。

5×××系铝合金中Mg含量范围较宽，其中5A43合金中Mg的含量最低，为0.6%~1.4%，5A13合金中的Mg含量最高，达到9.2%~10.5%。常用变形Al-Mg合金中Mg的含量为0.8%~5.5%，Mg在Al中可形成β（Mg5Al8）相，起弥散强化作用[2]。除Mg外，5×××系铝合金中还含有少量的Mn、Cr、Be、Ti等。

5052铝合金是5×××系合金中的典型合金，Mg含量在2.2%~2.8%之间，属于低Mg、热处理不可强化铝合金，具有中等强度、耐蚀性及焊接性良好和易于加工成形等特点[2]。板材热轧后，在冷加工率为50%时，合金再结晶温度约为288℃[1]。合金中存在三种不同形态的化合物：一种为形状较规则呈直边多边形的界面清晰的块状化合物（MgAl相），另一种为边界呈曲线状且界面模糊、形状不规则的化合物（MgAlSi相），还有一种为针状化合物（FeAl3相）[3]。

目前，大多数研究主要集中在5052合金高温热变形过程中流变应力、应变、应变速率和变形温度的相互关系以及轧制和退火后的织构演变[4-7]，而关于合金板材冷轧加工和退火热处理对室温力学性能、折弯成型性能和组织等的影响报道较少。故本文选取5052合金热连轧板材，研究冷轧加工及退火热处理对合金性能及组织的影响，为合金板材的生产提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料选取西南铝业（集团）有限责任公司的“1+4”热连轧5052铝合金热精轧坯料，合金的化学成分见表1。

1.2 试验方法

将4.7 mm×400 mm×1 200 mm的板坯剪切为4.7 mm×400 mm×400 mm的板材，分别选择20%、30%、40%、50%、60%、70%冷加工率进行冷轧，考察冷加工率对合金性能的影响，并分析合金的显微组织。

将上述规格板坯冷轧至厚1.5 mm左右的板材，其冷加工率均≥70%。将冷加工后的板材分别在230℃、240℃、250℃、260℃、265℃、270℃、275℃、280℃、300℃和320℃温度下退火，保温3 h，出炉空冷，考察退火温度对合金性能的影响，并观察合金的显微组织。

对冷加工至1.5 mm厚的板材取样，在260℃、270℃、280℃温度下退火，分别保温1 h、2 h、3 h、4 h和5 h，出炉空冷，考察退火时间对合金性能的影响，并观察合金的显微组织。

选取以上试验材料，剪切成为25 mm×100 mm的板材（横向），检测合金的90°折弯性能。

2 试验结果与分析

2.1 不同冷加工率对板材性能与组织的影响

5052铝合金具有良好的塑性，在60%以上的冷变形下只有轻微的裂边。从图1中可以看出，随着冷加工率的增加，合金的屈服强度、抗拉强度提高，延伸率降低。

随着合金冷变形程度的不断增大，金属内部的点缺陷和位错密度也越大，晶格畸变程度更加严重，形成了纤维状加工组织，材料加工硬化程度提高，见图2。

图2 不同冷加工率下的合金金相组织

2.2 退火温度对板材性能与组织的影响

随着退火温度的升高，合金强度也随之降低，延伸率则逐渐升高。在260℃以下退火时，板材力学性能的变化不大；在260℃、265℃、270℃和275℃退火的板材的强度明显低于在230~255℃下退火的板材，而其延伸率则大幅上升；在280℃、300℃、320℃退火时，合金的强度变化不大；而在300℃、320℃下退火，合金的性能已接近于完全退火状态。退火温度与力学性能的关系如图3所示。

图3 不同退火温度对合金力学性能的影响

图4 为不同退火温度下合金的金相组织。从图中可以看出，在230~250℃/3 h条件下退火时，合金大部分为纤维状加工组织，表明合金主要以静态回复为主；在260~275℃/3 h条件下退火时，合金为纤维状加工组织与再结晶组织并存，且再结晶组织为主要表现形式，合金的强度下降明显，延伸率则明显上升。当冷变形程度达到50%时，合金的再结晶温度约为288℃[1]。因此，在≥280℃条件下退火时，合金的纤维状加工组织几乎降为零，合金基本上已完全再结晶，其性能已接近于完全退火状态。这可能是由于冷变形程度较大（≥70%）、加工变形组织畸变能升高，降低了合金再结晶温度的缘故。

图4 不同退火温度下合金的典型金相组织

2.3 退火时间对板材性能与组织的影响

退火保温时间对合金板材性能的影响没有退火温度大。随着保温时间的延长，合金的强度随之下降，尤其是屈服强度下降更为明显，而延伸率则逐渐上升。在相同的退火温度下退火，保温1 h，合金的强度变化比较分散，但大部分保持了较高的强度。在保温时间超过1 h后，合金强度下降很快；在相同的退火温度下保温2~5 h，合金的强度变化平稳，可见保温时间对合金性能影响不大，见图5。

图5 不同退火温度下不同保温时间对力学性能的影响

对于冷加工率相同的合金板材，在相同的退火温度（≥260℃）下保温1 h，由于时间短，合金来不及发生再结晶或只有少量的再结晶组织，残留有较多的加工变形组织，因而其强度相对较高，即使在较高的温度下（280℃）退火，也保持了很高的强度，且折弯性能良好。而在保温2 h、3 h、4 h、5 h后，合金组织中残留的加工变形组织大大减少，主要为再结晶组织，其强度相对下降较快，延伸率则相对上升。不同冷加工率的合金板材在相同的退火热处理制度下，冷加工率越大，其再结晶组织的比例也越多，残留的加工变形组织也就越少。这也说明了冷变形程度越大，加工变形组织畸变能升高，合金再结晶温度也越低。图6为不同退火保温时间下合金的典型金相组织。

图6 合金不同退火保温时间典型金相组织

2.4 退火温度和保温时间对折弯性能的影响

2.4.1 退火温度的影响

在（230~250）℃/3 h较低温度下退火时，合金大部分为纤维状的加工组织，主要以静态回复为主，合金则保持较高的强度和较低的延伸率。合金中残留有大量因加工变形形成的畸变组织，造成组织不均匀，降低了合金的塑性，因而在合金板材进行90°折弯检测时，出现裂纹或细裂纹。在（260~320）℃/3 h退火时，合金大部分为再结晶组织，屈服强度下降较快，延伸率上升，表现出较好的塑性，因而合金的折弯性能良好。表3示出了退火温度对合金板材折弯性能的影响（保温3 h）。

表3 退火温度对合金板材折弯性能的影响

2.4.2 退火时间的影响

合金在260℃以上的温度退火时，退火保温时间对合金折弯性能影响不大。合金组织基本上为再结晶组织（参见图6），其组织较为均匀，且有较好的塑性（参见图5），因而表现出良好的折弯性能。

表4 不同退火温度下保温时间对板材折弯性能的影响