5A06-O铝合金板材折弯开裂原因分析及改善建议

李德贵，王大群，张宇婷，刘 超，刘 杰，张 晶，赵 扬

(东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060)

5A06铝合金强度较高、耐蚀性良好、易于成形加工、可焊性及低温性能好，是一种综合性能好的不可热处理强化铝合金[1]，被广泛应用在交通运输设备、导弹元件、装甲等行业。

某铝加工企业3.0 mm厚5A06-O铝合金板材在用户冲制加工时出现了折弯开裂现象，导致产品报废，对用户的配套生产带来了严重的影响，同时也对该铝加工企业造成较大的损失。诸多文献表明[2-7]，折弯开裂已成为影响5A06铝合金大规模应用的重要因素。

本试验以某铝加工企业生产的3.0 mm厚5A06-O铝合金板材为研究对象，通过化学成分检测、显微组织观察、力学性能测试及折弯性能测试，分析了5A06-O铝合金板材折弯开裂机制，并制定出有效的改善措施，为双方挽回了经济损失。

1 试验方法

3.0 mm厚度5A06-O铝合金板材生产工艺流程：配料→熔炼→调整化学成分→炉内精炼→静置→铸造→均匀化→锯切→铣面→加热→热轧→中间退火→冷轧→成品退火。用户使用3.0 mm厚度5A06-O铝合金板材在折弯过程中出现开裂现象。为了分析其开裂的原因，对板材进行二次退火热处理，对比二次退火前、后铝合金板材的显微组织结构和力学性能，阐明二次退火对板材显微组织和力学性能的影响规律。

用AA-240FS原子吸收光度计检测合金板材的化学成分，GX51金相显微镜对合金板材进行显微组织分析，AG-Xplus250KN电子万能试验机对合金板材进行力学性能测试，QEL-200弯曲试验机对合金板材进行折弯性能测试。

2 试验结果

2.1 5A06-O铝合金板材的成分、性能和显微组织

表1为5A06-O铝合金板材的化学成分实测结果。实测值与标准范围的对比可知，试验所用板材的化学成分符合GB/T 3190-2020标准的要求，Mn元素含量在中限，Mg元素含量在中上限。

表1 5A06-O铝合金板材的化学成分(质量分数%)Table 1 Chemical composition of 5A06-O aluminum alloy sheet (wt/%)

表2为5A06-O铝合金板材力学性能测试结果。通过与标准值对比可知，5A06-O铝合金板材的屈服强度、抗拉强度和伸长率均符合GB/T 3880.2-2012标准要求，屈服强度和抗拉强度较标准值都有一定余量，但伸长率接近标准值下限。

表2 5A06-O铝合金板材力学性能的测试结果Table 2 Test results of mechanical properties of 5A06-O aluminum alloy sheet

在5A06-O铝合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×15.0 mm折弯试样3组，进行90°折弯试验，折弯角半径为6 mm，折弯速度缓慢。折弯试验结果显示，3组试样均出现角部开裂现象。

在5A06-O铝合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×25.0 mm低倍组织试样，将纵向截面进行铣面、酸碱洗后进行组织观察。板材试样的边部组织和芯部组织存在明显的色差，芯部存在平行于板材表面的“条状亮带”。

将板材低倍试样纵向截面进行粗磨、精磨、电解抛光、混合酸侵蚀、阳极制模等工序处理，制取高倍试样，进行显微组织观察。阳极覆膜偏光显微组织形貌如图1所示。

图1 5A06-O铝合金板材试样芯部阳极覆膜偏光组织Fig.1 Polarized structure of anodic lamination at the core of 5A06-O aluminum alloy sheet sample

从图1可以看出，中心处的组织颜色更亮，为部分再结晶组织，晶粒以等轴晶为主。边部晶粒较模糊，主要为变形组织。这说明成品退火进行得不充分，导致板材的强度高、塑性低，板材各部分力学性能的匹配性变差，在板材进行折弯测试时便出现开裂的现象。

2.2 二次退火热处理

为了进一步验证上述结论，对出现折弯裂纹的5A06-O铝合金板材试样进行二次退火热处理，提升折弯性能。

3.0 mm厚5A06-O铝合金板材原来的成品退火制度：退火炉定温360 ℃，待板材高点温度为295 ℃时退火炉改定温315 ℃，待板材低点温度达305 ℃时开始保温，保温1 h后出炉。

为了提高原子的扩散速率，使退火更充分，二次退火热处理提高了退火温度，具体制度如下：退火炉定温360 ℃，待板材高点温度为305 ℃时退火炉改定温315 ℃，待板材低点温度达310 ℃时开始保温，保温1 h后出炉。对二次退火后的试样进行显微组织观察、力学性能测试及折弯性能测试。

二次退火后5A06-O铝合金板材的力学性能测试结果如表3所示。二次退火后板材的抗拉强度降低至339MPa，伸长率提高至24.3%。

表3 5A06-O铝合金板材二次退火后力学性能测试结果Table 3 Test results of mechanical properties of 5A06-O aluminum alloy sheet after re-annealing

在二次退火热处理后的5A06-O铝合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×15.0 mm折弯试样3组，进行90°折弯试验，折弯角半径为6 mm，折弯速度缓慢。折弯试验结果显示3组试样均未出现开裂现象。

在二次退火热处理后的5A06-O铝合金板材上切取3.0 mm×15.0 mm×25.0 mm低倍组织试样，将纵向截面进行铣面、酸碱洗后进行组织观察。与未进行二次退火热处理不同的是，板材纵向截面颜色均一，芯部“亮带”现象消失。相应的阳极覆膜偏光显微组织形貌如图3所示。二次退火热处理后的板材显微组织颜色均匀，清晰明亮。

图3 5A06-O铝合金板材试样二次退火后阳极覆膜偏光组织Fig.3 Polarized structure of anodic lamination after re-annealing of 5A06-O aluminum alloy sheet sample

3 讨论与分析

再结晶退火是将变形金属加热到规定的温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺，其目的是降低硬度，提高塑性[8]。本试验中，将3.0 mm厚5A06-O铝合金板材进行二次退火热处理，抗拉强度由346 MPa降低至339 MPa，伸长率由16.3%提高至24.3%，低倍试样芯部“亮带”现象消失，显微组织均匀性提升，折弯性能有较明显的改善。

5A06-O铝合金板材二次退火处理前后的显微组织及折弯性能对比结果表明，原生产工艺条件下3.0 mm厚5A06-O铝合金板材退火不充分，板材不具备较理想的塑性变形能力，从而在折弯测试时出现开裂。

在大型工业生产中，虽然退火温度和退火时间等工艺制度有严格要求，但若出现装炉量过大、炉内物料摆放位置不当、炉内物料堆叠高度过高或炉温偏差过大等现象，均会导致退火处理不充分，给产品后续加工带来不利影响，甚至出现使用上的安全隐患。

通过对多家企业走访调查，作者发现对成品板材进行退火热处理时，生产车间为了保证生产进度需要，常常加大退火炉的装炉量，这种“急功近利”的操作极有可能造成成品板材退火不充分，为后续产品埋下隐患。

为了进一步验证分析结论，结合现场5A06-O铝合金板材生产情况，采用原退火制度进行验证生产，本次生产严格控制了装炉量和装炉高度，退火后力学性能检测结果屈服强度Rp0.2=160 MPa～163 MPa，抗拉强度Rm=336 MPa～342 MPa，伸长率A=24.0%～25.5%，折弯性能检测也一次性合格。

4 结束语

退火热处理不充分，造成板材芯部强度高、塑性低，板材各部分力学性能的匹配性变差，是引起3 mm厚5A06-O铝合金板材折弯开裂的主要原因。鉴于此，本试验为退火态铝合金产品的加工提出以下两点建议和措施：

1)严格执行退火工艺制度，控制装炉量和炉料高度，使产品满足充分退火的热处理状态。

2)对有“折弯性能”要求的5A06-O铝合金板材，抗拉强度和屈服强度控制在标准中下限，抗拉强度控制在315 MPa～340 MPa，伸长率控制在24%以上较为适宜。