热处理对ARB1060纯铝组织与性能的影响

2022-03-18金振芳

铝加工 2022年1期

金振芳

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0 前言

累积叠轧焊方法（Accumulative Roll Bonding，ARB）[1]是上世纪90年代末日本国立大阪大学学者Tsuji Nobuhiro教授发明的一种用于制备金属板材超细晶复合材料的新方法。目前，国外针对IF钢、6061铝合金、8011铝合金等同种材料进行了累积复合轧制的研究，并取得了一定的成果[2-4]。其中对低碳钢（IF钢板）进行多道次ARB轧制研究，得到了270 nm左右的超细晶粒，屈服强度从306 MPa提高到870 MPa左右[2]；在铝及铝合金方面，晶粒尺寸最小达到320 nm，屈服强度从90 MPa提高到220 MPa左右[5]。国内实现了无氧铜、1060铝、IF钢[5-7]等同种材料的累积轧制。在众多剧烈塑性变形方法之中，累积叠轧技术是最有望实现SPD[8]的工业化生产，也是唯一可用于加工生产连续大块薄板类超细晶材料的方法，这对于超细晶材料在日后的工业应用上具有十分重要的现实意义。

超细晶材料具有较好的综合性能，但是其晶粒的热稳定性决定了其工作环境。因此，对超细晶材料热稳定性的研究是超细晶材料在工业上大规模应用的前提之一。

本文在室温下对1060纯铝进行轧制实验，并对ARB 5道次后的试样进行热处理加工，分析热处理对1060纯铝力学组织结构与力学性能的影响。

1 实验材料与方法

本实验选用材料是1060工业纯铝，化学成分含Al99.6%，Fe、Si、Cu总量不大于0.4%。实验前先将纯铝在400℃下经过60 min的退火处理，然后制备出规格尺寸为1.8 mm×100 mm×300 mm的纯铝板材。

材料经表面处理后，叠合并固定在一起，于室温条件下进行轧制，控制轧制每道次的压下量为50%。轧制后用剪板机将试样均匀剪断，重复上面的过程，共进行了8个道次试验。实验过程中保证轧辊处于干摩擦状态。

对经ARB 5道次的1060工业纯铝进行热处理实验，检测试样微观组织及力学性能随温度变换的变化规律。实验结果如表1所示。

表1 1060工业纯铝ARB 5道次热处理实验结果

采用JEM-200CX透射电镜观察经ARB塑性变形后试样内部微观组织发生的变化。晶粒尺寸在电镜照片上采用线截距法测定；采用WDW100-10 t电子拉伸机对试样进行常温拉伸实验，研究其拉伸性能的变化。

2 结果与分析

2.1 力学性能分析

2.1.1 室温轧制分析

图1为室温下累积叠轧1060工业纯铝各道次的拉伸性能曲线。从图中可以看出，经过剧烈塑性变形而发生强烈硬化的材料并没有明显的屈服现象，7道次的抗拉强度值最大为220 MPa，从2至8道次曲线来看，抗拉强度平缓增加，延伸率变化不大，经过塑性加工后，5道次的延伸率最好。出现这种现象的原因可能为：随着道次的增加，加工硬化和细晶强化导致强度提高，但塑性由于加工硬化1道次后急剧下降，在随后的轧制中，在加工硬化和细晶强化的共同作用下延伸率基本保持不变。抗拉强度、延伸率和道次三者之间的关系见图2。

图1 应力-应变曲线

图2 抗拉强度、延伸率与道次的关系

从图1中更能直观了解各道次的力学性能。原始母材的抗拉强度为87 MPa，1道次后强度的变化增幅最大，提高了60 MPa，而延伸率却急剧下降，由变形前的46.03%下降到6.42%；经第2道次轧制后，抗拉强度平稳上升，延伸率变化稳定；在第7道次后，抗拉强度达到峰值220 MPa，约是母材的2.5倍，延伸率为7.78%。这说明材料通过ARB变形后，1道次的加工硬化明显，强度增幅最大，但塑性急剧下降。在随后的轧制过程中抗拉强度平稳上升，延伸率基本保持不变。从抗拉强度和延伸率数据上来看，5道次的力学性能较好，抗拉强度为210 MPa，延伸率9.3%。

2.1.2 热处理后力学性能分析

选用综合力学性能较好的ARB 5道次试样，分析不同温度相同时间下热处理后其拉伸性能随温度的变化情况。

图3是ARB 5道次后材料在100～400℃下保温1 h热处理后的力学性能曲线图。从图中可见，材料抗拉强度的变化分三个阶段：（1）在150℃以下时，强度稳定，基本保持在220 MPa；（2）在150～300℃内很快由222 MPa下降到111 MPa；（3）在300℃以上时，材料强度变化较小，在400℃时下降到99 MPa。材料的延伸率变化与强度变化相对应，即在200℃以下时，延伸率变化平缓，波动幅度约为6%；在200～350℃之间时，延伸率迅速回升，由6%上升到36%；之后变化又趋于平缓。这说明ARB 5道次后的超细晶材料在200℃以下热处理时，材料处于回复阶段，基体内组织结构变化不大，内应力降低，机械性能变化平缓。在200℃以上热处理时，材料发生了再结晶，再结晶晶粒所占比例迅速增加，组织结构由变形组织转化为再结晶组织，强度显著下降，塑性提高。随着温度的升高，晶粒尺寸继续长大，机械性能开始恢复，但由于没有恢复到轧制前的组织结构状态，材料的抗拉强度和延伸率未能恢复到轧制前的数值。

图3 ARB 5道次后力学性能与热处理温度的关系

2.2 微观组织对比变化分析

图4 ARB 5道次在100～400℃×1 h条件下热处理后的TEM形貌相

图4 是1060工业纯铝室温ARB 0道次、5道次及ARB 5道次后的试样在100～400℃下保温1 h热处理后的TEM图像。由图4（c）、（d）、（f）可见，在200℃下，材料的组织结构与室温轧制后相比没有明显的变化，晶界附近存在不清晰的边界和消光条纹，表明组织处于回复阶段，晶粒形态未发生变化，亚晶内位错向亚晶界迁移，亚晶和超细晶粒有所长大，晶粒尺寸由0.47μm缓慢长大到0.58μm。在250℃热处理时，组织内的位错胞减少，晶界开始变得清晰，再结晶晶粒和细小的未再结晶晶粒、亚晶同时存在，再结晶晶粒内的位错密度明显少于未再结晶晶粒（见图4（f））。在300℃以上热处理时，晶界清晰可见，晶粒明显长大，晶粒内还存在少量位错。随着温度的升高，材料内主要以再结晶组织为主，在400℃热处理后，晶粒的平均尺寸超过20μm（见图4（h））。表明由ARB方法制备的1060工业纯铝超细晶材料组织在200℃以下具有一定的稳定性。