5052铝合金板材宽度方向上组织性能均匀性研究

彭 建，王永建，朱莉莉，彭龙飞

（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044；2.国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044）

5052铝合金板材宽度方向上组织性能均匀性研究

彭 建1，2，王永建1，朱莉莉1，彭龙飞1

（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044；2.国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044）

分析研究了5052铝合金板材在宽度方向上的微观组织、化合物相分布和力学性能的均匀性。对比板材的边部和心部可以发现：板材边部的微观组织更多的是变形组织，而心部则是再结晶组织，因为微观组织的差异，板材边部的屈服强度和抗拉强度比板材心部分别高了25.15%和9.65%，延伸率降低了21.54%。宽度方向上的温度差异没有影响到化合物相的形态及分布，板材的边部和心部都观察到了三种弥散的化合物相。控制微观组织的演化对于板材宽度方向上的均匀性更加重要。

板材；宽度方向；5052铝合金；温度差异

0 前言

随着汽车船舶等行业的发展，对板材的性能需求进一步增大，不但要求板材在宽度上能够满足需要，同时还对板材的质量也提出了要求，特别是板材沿宽度方向上组织和性能的均匀性更是受到广泛的关注[1]。随着板材宽度的增加，其组织和性能在宽度方向上会出现较大的波动，常表现为边部开裂翘曲等。Z.J.Li研究了轧制过程中铝合金、铜合金和钢中位错密度的差异对板材不均匀性的影响，认为铝合金和铜合金板材的不均匀性除了受变形织构的影响外，还强烈受位错密度的影响，特别是铝合金板材的不均匀的性受位错密度的影响更为显著[2]。Reza Riahifar利用有限元方法研究了铝合金热轧过程中轧件上应力场温度场的不均匀性，认为随着轧件宽度的增加其边部的应力分布就越不均匀，边部的几何形状也会根据变形条件的不同而呈现出或凸或凹的形状[3]。基于前人的研究，本文分析了5052铝合金14mm厚热轧板材在宽度方向上的微观组织、化合物相分布和力学性能的均匀性。

1 实验材料与方法

实验所用材料为西南铝5052铝合金14mm厚热轧板材。该板材初始宽度为1320mm，厚度为400mm，经铣面、多道次轧制后的板材宽度和厚度分别为1200mm、14mm，每道次压下量在20%到30%之间。精轧完成后板材温度为320℃左右。其厚度变化趋势如图1所示。

在5052铝合金板材宽度方向上按图1所示等距离取七个点，再依次在这七个点上取如图2所示的拉伸试样，在MTS万能试验机上进行室温力学性能实验，同时在上述七个点依次取金相试样，观察其ND面的金相组织。为了综合分析板材宽度方向上的不均匀性，在本文中也测量了上述七个位置的电导率和维氏硬度。

图1 5052铝合金宽度方向上厚度差异

图2 拉伸试样图示

2 实验结果与讨论

从图1中可以看到，5052铝合金14mm厚热轧板材厚度的最大值和最小值分别为13.999mm、13.987mm，相差0.012mm，由于其厚度差异太小，即可以认为板材在宽度方向上厚度一致。

图3 5052铝合金宽度方向不同位置TD面显微组织

图3为5052铝合金14mm厚热轧板宽度方向上不同位置显微组织。经过多道次的轧制，可以看到5052铝合金的晶粒及化合物相沿轧制方向呈流线型分布，其晶粒尺寸分布统计如图4所示，晶粒尺寸大多分布在150μm ～ 200μm之间，比较集中在180μm左右。在图3c、3d、3e和3f中可以看到大量的等轴晶粒存在，这是因为热轧板终轧温度在320℃左右发生了再结晶，使得原本狭长的变形组织变为细小等轴的再结晶组织。同时由图3a及图3g可以看到板材的两个边部处的晶粒更加细长，是典型的轧制组织。这种狭长的晶粒是在轧制变形过称中产生的变形组织而非轧制完成后形成的再结晶组织[4～5]。

一般认为，热轧板带材横向温度分布总体上呈现中间高两边低的趋势。中间部分温度变化梯度较小，边部变化梯度较大。轧件厚度一定时，宽度越大，轧件的横向温差也越大[6]。正是由于在板材宽度方向上存在温度的差异，使得板材边部的变形组织没有足够的温度发生再结晶，保持了原本狭长的纤维状晶粒[7]。晶粒的形核及长大是一个热激活的过程，只有当变形组织内部储存的能量超过了发生再结晶的激活能，变形组织才会有可能向再结晶组织转变[8]。

图4 5052铝合金宽度方向不同位置TD面晶粒尺寸统计

同时从图3和图4中可以明显的看到，板材心部的晶粒尺寸相对于边部来说更加不均匀，很多细小晶粒分布在晶界周围。这些细小的晶粒是在再结晶过程中生成的，其形成原因是新形成的再结晶组织没有充分的时间长大轧件的变形过程就停止了，没有继续变形则轧件内部的位错密度不能继续增加，即再结晶晶粒长大失去了驱动力，而且轧件温度在变形结束后迅速的下降，也给晶粒继续长大增加了阻力。

图5及表1所示为5052铝合金宽度方向上不同位置的室温力学性能。图5中可以看到板材沿宽度方向上不同位置的屈服强度及抗拉强度都呈现出边部较大而心部较小的规律。1#和7#的屈服强度和抗拉强度均达到了118MPa和202MPa，而板材心部的屈服强度大多在89MPa，比边部低了25%左右。由于轧制变形过程中储存能的累积，堆积在晶界处的的位错密度很高，容易引起塞积。轧制变形结束后，随着板材边部和心部温度差异的产生，板材边部的变形组织没有足够的激活能发生再结晶，即没有发生软化的过程，因此板材边部的强度相应的提高了而塑性下降[9～10]。随着板材宽幅的增大，板材宽度方向上的温差导致边部和心部晶粒形态及尺寸有差异，从而影响了板材的整体力学性能，使得板材边部的屈服强度及抗拉强度均较高，而延伸率较低。

表1 5052铝合金宽度方向不同位置纵向拉伸力学性能

图5 5052铝合金宽度方向不同位置纵向拉伸力学性能图

图6所示为上述对应位置的维氏硬度。每个位置测试10次后取平均值。从图中可以看到板材边部的硬度值大于板材心部，与每个位置的力学性能相符合。

图6 5052铝合金宽度方向上的硬度分布

图7为5052铝合金宽度方向上不同位置化合物相的分布及形态，在图7所有试样的金相观察视场中明显存在三种不同形态的化合物相：一为形状较规则、呈直边多边形的界面清晰的块状化合物，另一种为边界呈曲线且界面模糊的形状不规则化合物，还有一种是针状化合物。第一种化合物相的判断是基于组织观察时看到的黑线勾勒出的直线边的多边形化合物，以及还可以看到此类化合物相被腐蚀脱落后在基体上留下的多边形黑色坑。这种化合物相的体积通常较大。第二种形状不规则化合物相是根据金相组织中大量存在边界呈曲线、界面模糊、形状不规则的黑色腐蚀坑而确定。由于在高氯酸酒精溶液中电解抛光时不锈钢阴极面积较大且试样保持固定，电场比较稳定，加上铝基体的化学腐蚀通常会受晶体学方向的影响，所以这种形状不规则、边界毛糙且轮廓多为曲线的黑色腐蚀坑可能是被腐蚀掉的化合物本身的形状。部分试样中还发现了数量很少的针状和条棒状化合物，长度尺寸通常比前述两种形状规则的化合物大，长宽比在10倍以上[11]。

图7 5052铝合金宽度方向TD面不同位置的 化合物相分布及形态

化合物相的种类及分布可以用电导率大小定性分析。元素固溶在铝合金基体中将减小材料的电导率；相反，化合物相析出量越多，材料的电导率就越高[12]。因此可以通过电导率指标反映化合物相析出量或固溶度的变化趋势。表2所示为5052铝合金板材宽度方向上不同位置电导率，可以看出5052铝合金板材宽度方向上不同位置的电导率基本一致。随着板材宽度的增加，板材边部和心部的温度差异也越来越大，同时其边部和心部的室温力学性能也表现出了较大的波动，总体表现为边部的强度高于心部，而心部的塑性又高于边部。但是通过电导率测试可知，板材宽度方向上的温度差异并没有影响到其化合物的析出种类及分布形态等。

表2 5052铝合金宽度方向不同位置电导率

3 结论

（1）随着板材宽度的增加，其边部和心部的微观组织表现出较大的差异。板材边部的微观组织更多的是变形组织，而心部则是再结晶组织。边部和心部微观组织的差异是由于其温度差异引起的。板材边部的温度在变形结束后下降的较快，没有足够的温度发生再结晶。

（2）因为板材边部没有发生再结晶软化过程，位错塞积，所以其强度比心部高，而延伸率则比心部低。

（3）板材边部和心部的温度差异只影响到了微观组织的转变。边部因为温度低没有足够的能量发生再结晶而保持了变形组织，板材心部的显微组织则由于温度高转变成为再结晶组织。通过电导率测试可以发现其宽度方向上电导率没有变化，即板材边部和心部的温度差异没有改变化合物相的析出和分布。

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（编辑：张为宾）

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Investigation of Homogeneity of Microstructure and Mechanical Property in Width Direction of 5052 Aluminum Alloy Sheet

PENG Jian1，2，WANG Yong-jian1，ZHU Li-li1，PENG Long-fei1
(1.College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 2.National Engineering Research Center for Magnesium Alloys,Chongqing 400044, China)

The microstructure and mechanical property in width direction of 5052 aluminum alloy sheet was investigated. The experimental results showed that deformation microstructure was retained in the edge region of the 5052 aluminum alloy sheet while recrystallized structure occurred in the central region, which resulted in yield strength and tensile strength of the edge region of the 5052 aluminum alloy sheet was higher than that in the central region by 25.15% and 9.65% respectively. In contrast, the elongation was reduced by 21.54%. The difference of temperature along the width direction of the sheet had negligible effect on the distribution and shape of the precipitated phase. The three kinds of precipitated phases could be observed in the edge region and cener region of the 5052 aluminum alloy sheet. It is more valuable to control the evolution of microstructure for the homogeneity along the width direction of 5052 aluminum alloy sheet.

sheet; width direction; 5052 aluminum alloy; difference of temperature

TG146.21

文章编号：1005-4898（2014）05-0004-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.01

国家科技支撑计划（2012BAF09B04）和国际科技合作专项（2011DFR50950）资助

彭建（1969-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为轻金属材料制备及加工工艺。

2014-04-21