不同取向条件下Al-Mg-Sc合金薄板的组织与性能

陈琴，潘清林, ，韦莉莉，李波，王迎，尹志民,

(1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；2．中南大学 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)

01570铝合金强度高、塑性好、焊接性能优良，有较好的抗腐蚀性能，在航天、航空领域有着广阔的应用前景[1−2]。近年来，国内外科研人员在Al-Mg-Mn合金的基础上，采用微量钪和锆合金化方法对合金进行改性，结果表明：微量钪和锆元素能显著提高合金的综合力学性能[3−5]。目前，人们对01570铝合金成分、组织、性能的研究已经有许多报道[2−4]，但关于这种合金力学性能平面各向异性研究的报道较少。合金板材力学性能的平面各向异性给合金的使用带来许多局限，在工程设计时只能以性能较低的方向作为设计依据，同时会增加材料成型加工时的难度。所以，多晶材料平面各向异性是研制高性能铝合金板材必须考虑的一个重要性能指标。板材力学性能的平面各向异性是与合金在塑性加工和热处理过程中形成的织构密切相关的，不同的织构组态决定不同的平面各向异性取值。由于生产工艺中要求对变形和退火加以控制以满足板材对各向异性的要求，因此，织构对板材各向异性的影响是十分重要的课题。本文用微量钪和锆合金化的01570铝合金薄板，研究不同取向条件下冷轧态和冷轧−退火态 01570铝合金板材的力学性能与微观组织关系，对板材力学性能平面各向异性的程度进行测试，并从晶粒结构、晶体学织构和析出相入手，探讨01570铝合金板材力学性能平面各向异性的影响因素及形成机理，以便为这种合金的工程应用提供理论和实验依据。

1 材料与实验方法

1.1 材料

采用活性熔剂保护熔炼，水冷铜模激冷铸造技术以工业纯铝、纯镁、Al-2.23%Sc，Al-4.48%Zr和Al-8.5%Mn中间合金为原料制备01570合金铸锭，其化学成分见表1。合金铸锭经460 ℃/24 h均匀化处理后铣面至25 mm厚，然后，在470 ℃保温3 h后热轧至5.7 mm厚，最后，经400 ℃/2 h中间退火后冷轧至2.0 mm厚的薄板，总变形量达到92%。合金冷轧板在350 ℃下稳定化退火1 h，出炉空冷。均匀化、中间退火及稳定化退火处理均在程序控温 SX2-8-10箱式电阻炉中进行，误差为±2 ℃。

表1 01570铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 01570 aluminum alloy%

1.2 拉伸力学性能测试

拉伸力学性能试样分别取自冷轧态和冷轧−退火态的合金板材，在轧制面内与轧制方向呈 0°(轧向)，30°，45°，60°和 90°(横向)共 5 个方向上切取拉伸试样(图1)。试样按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》的规定进行加工，之后在MTS-858材料试验机上进行拉伸，拉伸速率为2 mm/min。

1.3 平面各向异性指数的计算

按文献[6−7]提供的方法进行计算平面各向异性指数IPA，计算公式如下所示：

其中：Xmax和Xmin分别表示5个取样方向上抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和伸长率δ的最大值和最小值；Xmid1，Xmid2和Xmid3分别对应抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和伸长率δ的3个中间值。

1.4 板材织构的测定

试样经机械抛光后，分别进行电解抛光以除去样品表面的应力层。电解抛光溶液为10% HClO3+90%无水乙醇(体积比)，电压为25 V左右，抛光时间约为30 s。采用Schulz反射法在BRUKER D8 DISCOVER全自动X线衍射仪上分别对样品进行织构测试，仪器工作参数为：管电压为40 kV，管电流为40 mA，测量步长 5°，采用 Cu Kα耙。分别测量{111}，{200}和{220}这 3个不完整极图(0≤α≤75°，0≤β≤360°)。极图数据经散焦与基底修正后采用Bunge级数展开法计算取向分布函数，结果用恒ϕ2的ODF截面图表示。

1.5 微观组织观察

偏光金相试样取自板材纵截面，经机械抛光后进行电解抛光和阳极覆膜，之后在 POLYVER-MET光学显微镜下用偏光观察。电解抛光溶液为10% HClO3+90%无水乙醇(体积分数)，电压为28 V左右，抛光时间约为30 s；覆膜溶液为38%H2SO4+43%H2PO3+19%H2O(体积比)，电压为20 V左右，覆膜时间约为3 min。透射电镜样品经机械减薄后双喷穿孔而成，电解液为25%硝酸甲醇溶液，温度为−25 ℃以下，显微组织观察在TECNAI G220透射电镜上进行，加速电压为200 kV。

2 实验结果

2.1 不同取向条件下合金板材的力学性能

不同取向条件下01570合金板材的拉伸力学性能测试结果见表2和图2。从表2和图2可见：合金板材在横向、纵向和与纵向成30°方向的强度较高，45°和 60°方向的强度较低，且横向的抗拉强度与屈服强度比纵向的高，45°方向试样的屈服强度最低，伸长率则最高。相对于通常纵向强度高、横向强度低的规律，该合金板材表现出反常的各向异性。此外，合金板材在350 ℃退火1 h后比冷轧态板材的平面各向异性指标值IPA小一些。

2.2 不同状态下合金板材的取向分布函数

表2 不同处理状态合金板材拉伸力学性能和平面各向异性指标IPATable 2 Tensile mechanical properties and anisotropy index IPA of alloy plate at different conditions

不同状态合金板材的取向分布函数(ODF)如图 3所示。从图3可见：合金冷轧板的整体织构组态具有较强的面心立方金属变形织构特征，表现为典型的Brass 织构{110}〈112〉、Copper 织构{112}〈111〉，此外还有 S 织构{123}〈634〉 (ϕ1=59°，Φ=37°，ϕ2=63°)和少量的Goss织构{110}〈001〉。于350 ℃退火1 h后并没有改变合金的织构组态，合金总体仍然以变形织构为主。各织构取向密度在α和β取向线上的分布如图4所示。从图4可见：合金冷轧板中Brass织构取向密度最强，等级接近于13.5级，Copper织构取向密度等级接近于11.0级，S织构次之，为8.5 级，Goss织构取向密度最弱。350 ℃退火1 h 后，在α和β取向线上部分 Goss取向的晶粒向邻近的 Brass取向偏转，使得Goss取向密度有所下降；Brass取向上的晶粒也向S取向和Copper织构偏转，使S织构和Copper织构有所增强，而Brass织构强度无明显变化。

图2 不同状态01570合金板材力学性能与取样方向关系Fig.2 Relationship of mechanical properties of 01570 alloy sheet at different conditions with various orientations

图3 不同状态下合金薄板的取向分布函数Fig.3 ODF of alloy sheet at different conditions

图4 不同状态下合金板材取向密度的变化Fig.4 Changes of orientation densities of alloy sheet at different conditions

2.3 不同状态下合金板材的显微组织结构

对冷轧态、冷轧−退火态的合金板材金相组织和透射电子显微组织进行观察和分析，结果见图5和图6。从图5可见：冷轧态合金板材轧面内是煎饼状组织，沿轧向和横向都是纤维状轧制变形组织，于350 ℃退火 1 h后合金板材的金相组织变化不大，轧面内仍为煎饼状的非再结晶组织。由图6可见：冷轧态的合金板材其晶粒沿轧制方向被拉长压扁，合金内存在大量胞状组织，其胞壁出现高密度位错亚结构，产生强烈的应力场。于350 ℃退火1 h后合金基体内回复过程非常明显，由于晶界的弓出迁移，形成许多小角度亚晶界和亚晶，且有位错墙以小角度晶界分割晶粒成亚晶。此外，还可以清晰地观察到大量的第二相粒子强烈地钉扎位错和亚晶界，阻碍亚晶界的运动，使亚晶界呈波浪状向前迁移。这些粒子呈豆瓣状与基体共格，根据文献[8−10]可知为Al3(Sc,Zr)粒子。由图6(d)可见：于350 ℃退火1 h 后，合金中的Al3(Sc,Zr)粒子平均间距λ≈0.065 μm＜＜ 1 μm，平均直径d＜＜ 0.3 μm，此时Al3(Sc,Zr)粒子将强烈地阻碍再结晶[11]。

图5 不同状态下合金板材的金相组织Fig.5 Metallographic microstructures of alloy sheet at different conditions

图6 不同状态下合金板材的透射电子显微组织Fig.6 TEM microstructures of alloy sheet at different conditions

3 分析与讨论

3.1 煎饼状晶粒结构对合金板材力学性能各向异性的影响

从图5可见：合金板材显示出典型的煎饼状晶粒组织，这是由于合金中微量元素Sc和Zr形成次生的Al3(Sc,Zr)粒子，这种粒子具有强烈的抑制热轧和稳定化退火过程中再结晶的作用，使得合金冷轧板材和冷轧−退火板材仍然保留了沿轧制方向延展的煎饼状非再结晶晶粒组织。正是这种煎饼状的纤维组织使得轧向试样(α=0°)对应拉伸断面上的晶界较稀，而横向试样(α=90°)对应拉伸断面上的晶界较密。这意味着轧向试样断面上的晶粒平均直径大于横向试样断面上的晶粒平均直径，依据晶粒度与合金强度的关系，可以预见晶粒度对横向试样强度的贡献高于晶粒度对轧向试样强度的贡献，结果导致01570合金板材具有反常的力学性能各向异性，即板材横向屈服强度比纵向的高。

关于煎饼状晶粒结构对合金强度的影响，有研究[12−14]认为：当晶内最大切应力的方向与晶界的方向一致时，材料具有较低的屈服强度。当材料中存在延展拉长的非等轴晶粒时，从不同的方向对材料施加外应力，晶内最大切应力方向与晶界之间的夹角也将随之变化，集中于晶界处的位错向晶内运动的难易程度将会不同，从而在宏观上造成材料沿不同方向的变形阻力、变形程度及变形方式的差异，这便导致力学性能的各向异性。

3.2 晶体学织构对合金板材力学性能各向异性的影响

对图3所示的ODF进行分析可得，合金板材中的织构组分主要为Brass{110}〈112〉织构，且取向密度远高于其他类型织构的密度。为便于分析织构对合金板材力学性能各向异性的影响，此时可将板材视为单晶。铝合金为面心立方结构，主要滑移系为{111}〈110〉，4个可能的{111}滑移面与织构(110)[1 2]的空间关系如图7所示。经计算可知，其中2个{111}面与轧制面垂直，另外2个{111}面与轧制面成35.26°的夹角，如表4所示。对于图7所示的合金板材取向宏观坐标系(轧向、横向和法向)和晶体取向坐标系((110)[1 2])之间的关系，为便于理解，可以参考立方晶系的晶体取向，如图8所示。依据金属单晶体拉伸变形机制和变形临界分切应力定律[15−16]，屈服强度有如下关系式：

图7 面心立方{111}晶面与(110)[ 1 2]织构的空间关系Fig.7 Space relationships of four possible {111} slip planes with (110)[ 1 2] texture

图8 立方晶系的晶体取向Fig.8 Crystal orientation of cubic system

可计算出不同拉伸轴晶体学取向在每个滑移系上的夹角ϕ和λ，结果表4所示。在此基础上，进一步算出不同拉伸轴晶体学取向在每个滑移系上的 Schmid 因子和每个取向 Schmid 因子最大值的倒数，结果如表5所示。由表5可知：试样在与板材成0°，30°和90°的取向拉伸时，1/ηmax比较大，合金板材的强度会较高，而与板材成 45°、60°的取向拉伸时，1/ηmax比较小，合金板材的强度会较低。可以发现：表5的理论分析结果和图2的实验结果基本一致，也说明晶体学织构是造成铝钪合金板材平面各向异性的主要原因。

图9 立方晶系的(110)晶面Fig.9 (110) plane of cubic crystal system

表3 不同取向条件下的试样拉伸晶体学指数Table 3 Crystallographic direction indices of various tensile specimen orientations

表4 不同取向条件下试样拉伸方向与滑移面{111}法向及滑移方向〈110〉的夹角φ和λTable 4 Angles φ and λ of slip system {111} 〈110〉for various tensile specimen orientations

表5 板材织构为(110)[1 2]时{111}〈110〉滑移系在不同取向条件下的Schmid 因子Table 5 Schmid factors of slip system {111}〈110〉 for various tensile orientations and reciprocals of maximum Schmid factor of every orientation

表5 板材织构为(110)[1 2]时{111}〈110〉滑移系在不同取向条件下的Schmid 因子Table 5 Schmid factors of slip system {111}〈110〉 for various tensile orientations and reciprocals of maximum Schmid factor of every orientation

滑移系 0° 30° 45° 60° 90°(111)[110] 0 0 0 0 0(111)[011] 0 0.375 0 0.433 0 0.375 0 0(111)[101] 0 0.375 0 0.433 0 0.375 0 0(111)[110] 0 0 0 0 0(111)[011] 0.136 1 0.155 6 0.336 8 0.427 7 0.272 2(111)[101] 0.136 1 0.155 6 0.336 8 0.427 7 0.272 2(111)[110] 0.272 2 0.219 4 0.096 2 0.052 8 0.272 2(111)[011] 0.136 1 0.038 2 0.036 4 0.029 8 0.272 2(111)[101] 0.408 2 0.181 2 0.059 8 0.022 9 0(111)[110] 0.272 2 0.219 4 0.096 2 0.052 8 0.272 2(111)[011] 0.408 2 0.181 2 0.059 8 0.022 9 0(111)[101] 0.136 1 0.038 2 0.036 4 0.029 8 0.272 2 ηmax 0.408 2 0.375 0 0.433 0 0.427 7 0.272 2 1/ηmax 2.449 8 2.666 7 2.309 5 2.338 1 3.673 8

4 结论

(1) 01570铝合金板材在横向、纵向和与纵向成30°方向的强度较45°和60°方向上的强度高，45°方向的屈服强度最低，伸长率最高；横向力学性能优于纵向力学性能，合金板材表现出反常的各向异性。

(2) 01570铝合金板材在冷轧态与350 ℃退火态的主要织构为 Brass 织构{110}〈112〉，次要织构为Copper织构{112}〈111〉和 S织构{123}〈634〉。于350 ℃退火态的S织构和Copper 织构有所增强，而Brass 织构强度无明显变化。

(3) 01570铝合金板材中弥散析出的Al3(Sc,Zr)粒子，抑制了合金退火过程中的再结晶，阻止了立方织构{100}〈001〉的形成，{110}〈112〉轧制织构得到加强，增加了Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金板材的平面各向异性。

(4) 01570铝合金板材的平面各向异性与合金的晶粒结构以及晶体学织构密切相关，其中晶体学织构是造成合金板材平面各向异性的主要原因。

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