累计拉拔变形量及退火温度对3003铝合金线材组织和性能的影响

2023-02-01王高松李强强张博洋1叶子超赵志浩

材料与冶金学报 2023年1期

王高松，李强强，张博洋1，，杨光，叶子超，赵志浩，3

（东北大学1.材料电磁过程研究教育部重点实验室；2.材料科学与工程学院；3.金属型线材研究中心，沈阳 110819）

3003铝合金属于Al-Mn系合金，具有良好的塑性、可焊接性及耐腐蚀性，是防锈铝中应用最为广泛的一种［1］.目前市场上3003铝合金的主导产品为板材，主要用于制造易拉罐、化工产品的贮存装置、运输液体产品的槽罐、压力罐、飞机油箱、油路导管、防盗盖和罩冒等需冲压成形、有高抗蚀性和可焊性的零部件［2-4］，此外还有少量线材产品用于铝合金铆钉的制备.3003铝合金强度中等且不可热处理强化，通常采用冷变形的手段进行强化.但由于冷变形会使材料的塑性明显变差，因此需要采用合理的退火工艺进行配合，才能获得较好的综合性能.本文中对3003铝合金挤压线材进行多道次拉拔及退火实验，重点研究拉拔变形量及退火温度对3003铝合金线材组织和性能的影响规律，以期为3003铝合金铆钉线材的制备工艺提供参考.

1 实验材料及过程

1.1 实验材料及方案

实验所用材料是经1000JX反向挤压机挤压所得Φ12 mm的3003铝合金线材.将Φ12 mm的挤压线材以每道次约20%的变形量逐道次拉拔至6 mm，其累积变形量为75%，具体拉拔方案如表1所列.本实验线材拉拔道次的变形量用线材断面减缩率Ψ表示，计算公式为Ψ＝（Fq-Fh）／Fq.其中，Fq和Fh分别表示拉拔前后线材的横截面积.在每道次拉拔后进行取样，作为后续微观组织观察和力学性能检测的试样.结合相关文献［5-7］，对拉拔所得的6 mm线材在退火温度为370，390，410，430和450℃的条件下进行1 h退火处理.随后对退火处理后的线材进行微观组织观察和力学性能检测，用以分析退火温度对3003铝合金拉拔线材组织和性能的影响.

表1 3003铝合金拉拔实验方案Table 1 Drawing test scheme of 3003 aluminum alloy

1.2 检测方法

利用线切割选取大小合适的金相试样，将试样纵截面在砂纸上打磨平整，再进行机械抛光，待试样表面光滑无划痕后，对试样纵截面进行阳极覆膜.随后，利用OLYMPUS BX53显微镜在偏振光条件下对试样微观组织进行观察分析.使用维氏硬度计对实验各阶段线材横截面的不同位置进行硬度测试，试验力为29.4 N，加载保持时间为10 s，每个条件的试样测试5个点，取其平均值作为该条件下试样的硬度.按照《金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法》（GB／T 228.1—2010）加工拉伸试样并进行室温拉伸性能检测，每个条件下取3个试样，将其平均值作为该条件的检测结果.

2 实验结果及分析

2.1 累积变形量对3003铝合金线材组织和性能的影响

图1示出了3003铝合金线材经不同变形量拉拔后纵截面的偏光组织.由图可知：在连续拉拔过程中，线材保持沿拉拔方向（横向）的纤维状晶粒形态；随着累积变形量的逐渐增大，线材组织越来越致密，晶粒越来越细长.为了定量分析拉拔线材的晶粒组织随累积变形量变化的规律，利用Image Pro-Plus图像分析软件对图1中各道次线材纤维状组织的尺寸进行测量.结果发现：随着累积变形量的不断增加，3003铝合金线材内部纤维状组织的平均直径越来越小；当拉拔变形量为20.5%时，纤维状组织的平均直径约为20μm；当累计变形量达到75%时，纤维状组织的平均直径约为10μm.

图1 3003铝合金不同拉拔变形量线材的微观组织Fig.1 Microstructures of 3003 aluminum alloy wires rod with different drawing deformations

图2示出了3003铝合金线材力学性能随拉拔变形量的变化规律.通过力学性能检测发现，3003铝合金挤压坯料抗拉强度为142 MPa，屈服强度为102 MPa，伸长率为44.4%，维氏硬度为40±2.随着拉拔变形量由0逐渐增大至75%，3003铝合金线材的抗拉强度逐渐增至226 MPa，屈服强度也逐渐增至210 MPa，维氏硬度增至67±1.同时，随着变形量的不断增大，3003铝合金线材的塑性明显变差，伸长率由44.4%降至16.4%.这是由于合金在塑性变形过程中，位错增殖使位错密度不断增加，最终在晶界处形成位错塞积.随着累积变形量的增大，线材晶粒内部的位错塞积变得愈发严重，进而导致线材的强度和硬度均增大［8-9］.此外，位错塞积还会使线材晶粒变得难以滑移，从而导致线材塑性下降，宏观上表现为线材伸长率明显减小.

图2 3003铝合金拉拔线材力学性能Fig.2 Mechanical properties of 3003 aluminum alloy drawing wires

2.2 退火温度对3003铝合金线材组织和性能的影响

图3示出了3003铝合金冷拉拔线材经不同温度退火处理1 h后纵截面的偏光组织.当退火温度为370℃时［见图3（a）］，3003铝合金线材内部仍保持纤维状组织.当退火温度达到390℃时［见图3（b）］，开始出现再结晶现象，线材中心有部分等轴晶替代了原始的纤维状组织，但线材边部仍保持纤维状组织.随着退火温度的继续上升，线材内部再结晶程度提高，线材边部纤维状组织减少.当退火温度达到430℃时［见图3（d）］，线材内部组织均为再结晶组织，且由大小均匀的等轴晶组成.当退火温度升至450℃时［见图3（e）］，线材内部仍由大小均匀的等轴晶组成，但与退火温度为430℃时相比，等轴晶的尺寸明显减小.这主要是随着退火温度的上升，再结晶晶粒形核和长大的驱动力均增强，变形晶粒晶界上的形核数量增加［10］，最终导致形成的再结晶晶粒增多、再结晶晶粒尺寸减小.当退火温度达到470℃时［见图3（f）］，与退火温度为450℃时相比，线材内部的再结晶晶粒尺寸无明显变化.

图4示出了3003铝合金冷拉拔线材退火后的力学性能与退火温度的关系.当退火温度为370℃时，线材抗拉强度为165 MPa，比退火前降低了61 MPa，屈服强度也由退火前的210 MPa降至143 MPa，而伸长率增至18.9%，比退火前增加了2.5%.结合图3（a）分析可发现，当退火温度为370℃时，线材内部未发生再结晶现象，但在高温环境下发生了静态回复.这是由于退火温度较高，材料内部原子活性变大，使得位于同一滑移面上的异号位错相互吸引而抵消.此时，线材内部位错密度下降，位错运动所受的阻碍减小，主要表现为材料的强度和硬度减小，伸长率增大.当退火温度达到390℃时，线材的强度和硬度进一步减小，抗拉强度降至135 MPa，维氏硬度降至37±1，而伸长率进一步增至20.5%.这是因为在该温度下，线材内部开始发生再结晶，部分新的再结晶晶粒代替原来畸变的纤维状组织，使得线材的强度和硬度进一步下降.当退火温度达到430℃时，线材内部组织完全转化为再结晶组织，此时线材的强度和硬度降至最低，抗拉强度为118 MPa，维氏硬度为33.当退火温度继续上升时，线材的强度没有明显变化，但伸长率仍有所增大.这是由于当退火温度为450～470℃时，线材内部再结晶晶粒的大小更均匀，且晶粒形状更细小，这使线材在塑性变形时内部晶粒更易协调变形，故塑性仍有所提高.