成品退火工艺对2A12-O板材拉伸滑移线的影响
2020-05-15滕明和
滕明和
（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）
0 前言
2A12 合金作为Al-Cu-Mg 系中典型的硬铝合金，具有很高的强度和良好的切削加工性能，其热状态、退火及新淬火状态下成形性能都比较好，热处理强化效果显著，被广泛应用于航空航天领域，如飞机结构（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、导弹构件、螺旋桨原件及其它各种结构。2A12-O 态属于完全退火状态，具有优良的成形性能及加工性能，因此，广泛用于加工形状复杂的零部件。其中部分材料在使用前需要进行拉伸处理，但拉伸量较大时，极容易出现拉伸滑移线。
金属材料的拉伸线表现为与拉伸轴线（零件的长边缘等）呈45°至60°的定向斜条纹，在力学上滑移线是连续的。但根据金属塑性变形的基本机制，晶体在切应力作用下沿着特定的晶面和晶向产生滑移，滑移结果是在表面显露出滑移台阶，而滑移台阶是原子间距的整数倍，是不连续的。因此，滑移线的物理意义是金属塑性变形时，发生晶体滑移的可能地带，只有特定的晶面和晶向的切应力达到金属的临界屈服切应力时才会使晶体产生滑移变形。
1 试验方案
1.1 实验材料
本试验选择西南铝业(集团)有限责任公司按国标3190 生产的2A12 方铸锭，在同一熔次下选择2块规格一致的铸锭开展工艺试验。生产包铝的2A12-O 产品的成品规格为1.5 mm×1200 mm×3000 mm，其包铝板和2A12铸锭的化学成分如表1所示。
表1 实验合金化学成分（质量分数/%）
1.2 工艺路线
常规产品生产工艺路线：铣面→包铝→热粗轧→热精轧→冷轧→成品退火→剪切→性能检测→包装。
中温淬火产品生产工艺路线：铣面→包铝→热粗轧→热精轧→冷轧→中温淬火→成品退火→剪切→性能检测→包装。
1.3 实施方案及过程
将上述试验用铸锭分别采用两种工艺进行生产，其对应的批次分别为A 批次、B 批次。A 批次用于常规工艺的生产，B批次用于增加中温淬火工艺的生产。这2个批次在冷轧及以前的生产工艺完全一致，成品退火工艺也一致。
中温淬火工艺：在气垫炉温度、速度等条件一定的情况下，将冷轧后的B批次卷材进行快速升温及快速冷却，其工艺见表2。
表2 中温淬火工艺
成品退火工艺：将两种方案的卷材进行卷式成品退火，退火工艺为金属温度380～410℃，保温1～2h，然后随炉缓慢冷却。
2 过程与讨论
2.1 微观组织OM分析
分析两种工艺生产的A、B 两批次O 态组织的OM 形貌，分别对比LS 面和TS 面的情况，具体见图1、图2。
图1 A批O态组织OM形貌
图2 B批O态组织OM形貌
从图1 和图2 中可以看出，经退火处理后，晶粒保留了变形态组织的特征，LS 面晶粒沿轧制方向拉长，其长径比较大，TS 面的晶粒尺寸和晶粒长径比均比LS 面的小。从金相组织分析可以得出，正常工艺条件下的O态组织中的晶粒保留了变形态组织特征，晶粒尺寸明显较增加了中温淬火的B 批次的大；B 批次O 态组织中晶粒为等轴状，晶粒较为均匀。
2.2 微观组织SEM分析
对两种工艺的O态进行微观组织SEM分析，结果如图3（传统工艺）和图4（增加中温淬火工艺）所示。
从图中可以看出，两种工艺的样品均存在数量较多的相，经轧制变形破碎后，相沿轧制方向分布，其能谱分析结果见表3、表4。从能谱分析中可以看出，2A12 铝合金基体组织中存在的相有Al2Cu 相、富Fe 相和Al2CuMg 相；2A12 薄板包铝层为1A50铝合金，其中1A50合金组织中固溶了一定量的Mg元素，另外存在AlFe3相。
图3 A批合金薄板O态基体和包铝层组织SEM形貌
图4 B批合金薄板O态基体和包铝层组织SEM形貌
表3 A批薄板O态组织中相的能谱分析（原子百分比%）
表4 B批合金薄板O态组织中相的能谱分析（原子百分比/%）
2.3 微观组织EBSD分析
对两种工艺的O 态进行微观组织EBSD 分析，图5 为传统工艺的O 态组织的EBSD 形貌图。从取向成像图和晶内取向差分布图可以看出，薄板LS面晶粒沿着轧制方向分布，晶粒的长径比较大。图6 为增加了中温淬火的工艺的O 态组织EBSD 形貌图。从取向成像图和晶内取向差分布图可以看出，薄板LS 面晶粒尺寸比较均匀和细小，均为等轴状，并未观察到变形态组织的特征，说明该状态下合金发生了明显的再结晶。
从图5、图6 制备的2A12-O 薄板对比可以看出，增加中温淬火的薄板试样的晶粒尺寸较传统工艺的小，且分布更为均匀。
图5 A批合金薄板O态组织的晶粒成像图和晶内取向差分布图(TS面)
图6 B批合金薄板O态组织的晶粒成像图和晶内取向差分布图(TS面)
2.4 力学性能评价
将2个批次的O态试样直接进行拉伸，MCZ试样则在相同的热处理工艺条件下进行处理后检测其拉伸性能，检测结果见表5。
表5 2个批次的O态试样力学性能
从表5可以看出，两种工艺条件下O态的强度无明显的差异，但MCZ 条件下，增加中温淬火工艺后，其力学性能各项指标均有一定的提高，特别是屈服强度，提高约10 MPa，提高效果明显。
图7为两种工艺条件下O态拉伸试样的宏观形图。从图7中可以看出，拉伸断裂后，两种合金拉伸试样表面均凹凸不平，但B批次拉伸试样表面的凹凸不平程度较A批次高。
图7 2个批次的O态板料拉伸试样表面显微形貌
表6 两种合金拉伸试样的表面粗糙度
图8 O态板料拉伸试样的三维形貌图
3 结论
基于以上两种工艺条件下，对所制备的2A12-O试样的微观组织、力学性能和表面粗糙度进行了分析，得出以下结论：
（1）晶粒组织方面，在退火前增加一次中温淬火工艺后，其成品状态的晶粒尺寸明显降低，且晶粒较为均匀。
（2）力学性能方面，其O 态强度基本一致，但MCZ 强度则变化较为明显，增加中温淬火批次的MCZ屈服及抗拉均比直接退火的增加5～10 MPa。
（3）表面粗糙度方面，增加中温退火工艺的表面粗糙度数值较直接退火的低。
（4）根据微观组织和力学性能分析可以得出，力学性能与微观组织的变化相符合，即增加中温淬火工艺的板材与直接退火的板材相比，其微观组织、力学性能、表面粗糙度均较好，其出现拉伸滑移线的概率更低。
