熱處理對ARB1060純鋁組織與性能的影響

金振芳

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 前言

累積疊軋焊方法（Accumulative Roll Bonding，ARB）[1]是上世紀90年代末日本國立大阪大學學者Tsuji Nobuhiro教授發(fā)明的一種用于制備金屬板材超細晶復合材料的新方法。目前，國外針對IF鋼、6061鋁合金、8011鋁合金等同種材料進行了累積復合軋制的研究，并取得了一定的成果[2-4]。其中對低碳鋼（IF鋼板）進行多道次ARB軋制研究，得到了270 nm左右的超細晶粒，屈服強度從306 MPa提高到870 MPa左右[2]；在鋁及鋁合金方面，晶粒尺寸最小達到320 nm，屈服強度從90 MPa提高到220 MPa左右[5]。國內(nèi)實現(xiàn)了無氧銅、1060鋁、IF鋼[5-7]等同種材料的累積軋制。在眾多劇烈塑性變形方法之中，累積疊軋技術(shù)是最有望實現(xiàn)SPD[8]的工業(yè)化生產(chǎn)，也是唯一可用于加工生產(chǎn)連續(xù)大塊薄板類超細晶材料的方法，這對于超細晶材料在日后的工業(yè)應用上具有十分重要的現(xiàn)實意義。

超細晶材料具有較好的綜合性能，但是其晶粒的熱穩(wěn)定性決定了其工作環(huán)境。因此，對超細晶材料熱穩(wěn)定性的研究是超細晶材料在工業(yè)上大規(guī)模應用的前提之一。

本文在室溫下對1060純鋁進行軋制實驗，并對ARB 5道次后的試樣進行熱處理加工，分析熱處理對1060純鋁力學組織結(jié)構(gòu)與力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

本實驗選用材料是1060工業(yè)純鋁，化學成分含Al99.6%，F(xiàn)e、Si、Cu總量不大于0.4%。實驗前先將純鋁在400℃下經(jīng)過60 min的退火處理，然后制備出規(guī)格尺寸為1.8 mm×100 mm×300 mm的純鋁板材。

材料經(jīng)表面處理后，疊合并固定在一起，于室溫條件下進行軋制，控制軋制每道次的壓下量為50%。軋制后用剪板機將試樣均勻剪斷，重復上面的過程，共進行了8個道次試驗。實驗過程中保證軋輥處于干摩擦狀態(tài)。

對經(jīng)ARB 5道次的1060工業(yè)純鋁進行熱處理實驗，檢測試樣微觀組織及力學性能隨溫度變換的變化規(guī)律。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 1060工業(yè)純鋁ARB 5道次熱處理實驗結(jié)果

采用JEM-200CX透射電鏡觀察經(jīng)ARB塑性變形后試樣內(nèi)部微觀組織發(fā)生的變化。晶粒尺寸在電鏡照片上采用線截距法測定；采用WDW100-10 t電子拉伸機對試樣進行常溫拉伸實驗，研究其拉伸性能的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學性能分析

2.1.1 室溫軋制分析

圖1為室溫下累積疊軋1060工業(yè)純鋁各道次的拉伸性能曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過劇烈塑性變形而發(fā)生強烈硬化的材料并沒有明顯的屈服現(xiàn)象，7道次的抗拉強度值最大為220 MPa，從2至8道次曲線來看，抗拉強度平緩增加，延伸率變化不大，經(jīng)過塑性加工后，5道次的延伸率最好。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能為：隨著道次的增加，加工硬化和細晶強化導致強度提高，但塑性由于加工硬化1道次后急劇下降，在隨后的軋制中，在加工硬化和細晶強化的共同作用下延伸率基本保持不變。抗拉強度、延伸率和道次三者之間的關(guān)系見圖2。

圖1 應力-應變曲線

圖2 抗拉強度、延伸率與道次的關(guān)系

從圖1中更能直觀了解各道次的力學性能。原始母材的抗拉強度為87 MPa，1道次后強度的變化增幅最大，提高了60 MPa，而延伸率卻急劇下降，由變形前的46.03%下降到6.42%；經(jīng)第2道次軋制后，抗拉強度平穩(wěn)上升，延伸率變化穩(wěn)定；在第7道次后，抗拉強度達到峰值220 MPa，約是母材的2.5倍，延伸率為7.78%。這說明材料通過ARB變形后，1道次的加工硬化明顯，強度增幅最大，但塑性急劇下降。在隨后的軋制過程中抗拉強度平穩(wěn)上升，延伸率基本保持不變。從抗拉強度和延伸率數(shù)據(jù)上來看，5道次的力學性能較好，抗拉強度為210 MPa，延伸率9.3%。

2.1.2 熱處理后力學性能分析

選用綜合力學性能較好的ARB 5道次試樣，分析不同溫度相同時間下熱處理后其拉伸性能隨溫度的變化情況。

圖3是ARB 5道次后材料在100～400℃下保溫1 h熱處理后的力學性能曲線圖。從圖中可見，材料抗拉強度的變化分三個階段：（1）在150℃以下時，強度穩(wěn)定，基本保持在220 MPa；（2）在150～300℃內(nèi)很快由222 MPa下降到111 MPa；（3）在300℃以上時，材料強度變化較小，在400℃時下降到99 MPa。材料的延伸率變化與強度變化相對應，即在200℃以下時，延伸率變化平緩，波動幅度約為6%；在200～350℃之間時，延伸率迅速回升，由6%上升到36%；之后變化又趨于平緩。這說明ARB 5道次后的超細晶材料在200℃以下熱處理時，材料處于回復階段，基體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)變化不大，內(nèi)應力降低，機械性能變化平緩。在200℃以上熱處理時，材料發(fā)生了再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒所占比例迅速增加，組織結(jié)構(gòu)由變形組織轉(zhuǎn)化為再結(jié)晶組織，強度顯著下降，塑性提高。隨著溫度的升高，晶粒尺寸繼續(xù)長大，機械性能開始恢復，但由于沒有恢復到軋制前的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)，材料的抗拉強度和延伸率未能恢復到軋制前的數(shù)值。

圖3 ARB 5道次后力學性能與熱處理溫度的關(guān)系

2.2 微觀組織對比變化分析

圖4 ARB 5道次在100～400℃×1 h條件下熱處理后的TEM形貌相

圖4 是1060工業(yè)純鋁室溫ARB 0道次、5道次及ARB 5道次后的試樣在100～400℃下保溫1 h熱處理后的TEM圖像。由圖4（c）、（d）、（f）可見，在200℃下，材料的組織結(jié)構(gòu)與室溫軋制后相比沒有明顯的變化，晶界附近存在不清晰的邊界和消光條紋，表明組織處于回復階段，晶粒形態(tài)未發(fā)生變化，亞晶內(nèi)位錯向亞晶界遷移，亞晶和超細晶粒有所長大，晶粒尺寸由0.47μm緩慢長大到0.58μm。在250℃熱處理時，組織內(nèi)的位錯胞減少，晶界開始變得清晰，再結(jié)晶晶粒和細小的未再結(jié)晶晶粒、亞晶同時存在，再結(jié)晶晶粒內(nèi)的位錯密度明顯少于未再結(jié)晶晶粒（見圖4（f））。在300℃以上熱處理時，晶界清晰可見，晶粒明顯長大，晶粒內(nèi)還存在少量位錯。隨著溫度的升高，材料內(nèi)主要以再結(jié)晶組織為主，在400℃熱處理后，晶粒的平均尺寸超過20μm（見圖4（h））。表明由ARB方法制備的1060工業(yè)純鋁超細晶材料組織在200℃以下具有一定的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）ARB 5道次后材料的綜合力學性能較好，抗拉強度210 MPa，延伸率9.3%。

（2）ARB 5道次熱處理結(jié)果表明，溫度低于200℃時，加工硬化作用基本保留，材料的拉伸性能比較穩(wěn)定，變化緩慢。

（3）ARB 5道次后試樣的累積等效應變?yōu)?.0，在200℃以下保溫1 h的熱處理條件下，晶粒長大緩慢，晶粒的平均尺寸約為0.58μm，顯微組織處于回復階段，超細晶材料組織和性能具有良好的穩(wěn)定性。