不同變形量5182-O 鋁合金汽車板PLC效應表現(xiàn)和呂德斯帶演變

麻慧琳，吳萬東，徐志遠，楊立民，劉明詔，王磊

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心，山東 煙臺 265700）

近幾十年來，在減排減碳的大環(huán)境下，對更高燃油效率和更低排放車輛甚至新能源電車的需求日益增加，車輛不斷輕量化以保證更高的效率和更遠的續(xù)航，這促使輕質(zhì)的鋁合金板材在汽車中的使用量顯著增加[1-3]。5 系高Mg 鋁合金作為一款輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕和良好可加工性的材料，被廣泛應用于汽車板內(nèi)板[4-6]。然而，5 系高Mg 鋁合金在室溫塑性變形時，會經(jīng)歷靜態(tài)應變時效（Staic Strain Aging，SSA）和動態(tài)應變時效（Dynamic Strain Ageing，DSA），這會導致材料在塑性變形過程中產(chǎn)生2 種不同的塑性變形失穩(wěn)現(xiàn)象，即呂德斯效應和 PLC（Portevin-Le Chatelier）效應。在合金材料拉伸變形時，靜態(tài)應變時效的影響會導致材料的拉伸曲線存在明顯的屈服平臺和上下屈服點，并在材料表面形成并傳播塑性變形失穩(wěn)帶。這種由靜態(tài)應變時效導致材料塑性變形失穩(wěn)和變形帶形成的現(xiàn)象為呂德斯效應[7-10]。在合金材料拉伸變形時，動態(tài)應變時效的影響會導致拉伸曲線上產(chǎn)生鋸齒形流動或臺階狀流動現(xiàn)象以及形成并傳播材料表面變形帶，這稱為PLC 效應，PLC 效應又名鋸齒形屈服（Serrated Yielding）。2 種變形失穩(wěn)現(xiàn)象都易使材料在室溫塑性變形時局部變形不均勻，在材料表面形成明顯局部變形帶，造成最終產(chǎn)品表面質(zhì)量不良[7-10]。此外，由于內(nèi)板零件變形情況復雜，各個區(qū)域變形先后順序和變形量不一，更易加劇呂德斯效應和PLC 效應，形成表面缺陷[11-12]。這要求5 系鋁合金材料以及模具的設計更為合理。

目前對5 系鋁合金的呂德斯效應、PLC 效應已經(jīng)有足夠多的研究，如PLC 效應的時域和空域行為研究、基于不同的實驗方法研究PLC 效應的形成和傳播以及加載應變率、試驗溫度和化學成分等對PLC效應的影響研究，這為5 系鋁合金工業(yè)化的使用奠定了理論基礎。目前有關汽車用5182 鋁合金不同變形階段材料呂德斯效應、PLC 效應表現(xiàn)以及不同階段材料表面變形帶的形成和變化的研究還較少。

本文結(jié)合5 系鋁合金汽車板沖壓實際情況，模擬5182 鋁合金材料零件在沖壓時不同區(qū)域不同變形量下的室溫塑性變形行為，針對汽車用5 系鋁合金不同變形階段材料呂德斯效應、PLC 效應以及變形帶的形成和變化進行系統(tǒng)研究，對材料呂德斯效應、PLC 效應、微觀組織轉(zhuǎn)變、局部變形帶形成和材料表面宏觀形貌的規(guī)律進行了表征，以期為避免形成5 系鋁合金不良沖壓表面提供理論指導以及為進一步改善汽車用5182-O 鋁合金沖壓零件表面質(zhì)量、擴大其應用范圍奠定理論基礎。

1 實驗

實驗用5182-O 鋁合金材料由山東南山鋁業(yè)股份有限公司生產(chǎn)制備，成品厚度為1.2 mm，化學成分如表1 所示。材料生產(chǎn)制備流程如下：合金成分計算和配料—半連續(xù)鑄造—鋸切銑面—均質(zhì)處理—熱軋—冷軋—完全退火—成品。

表1 實驗所用5182-O 合金化學成分Tab.1 Chemical composition of 5182-O alloy used in the experiment wt.%

本文設置了0.5%、1.0%、3%、5%、7%、10%不同變形量，以研究5182-O 材料拉伸變形時的微觀組織演變、局部變形帶形成、試樣宏觀形貌演變情況以及不同變形量下的呂德斯效應、PLC 效應。材料的拉伸力學性能測試和材料預變形均在Zwick 型萬能拉伸試驗機上進行，力學性能測試試樣為A50 試樣，制樣和測試標準依據(jù) ISO 6892-1，拉伸速率為6.7×10?3s?1，僅測試90°方向的拉伸速率。預變形試樣為長方形試樣，長寬分別為300 mm×62 mm，用砂紙打磨預拉伸完的試樣表面。采用TMS-100 型拓撲儀對材料拉伸變形時的表面宏觀形貌演變、局部變形帶形成進行表征。采用型號為JEM-2100F 的透射電子顯微鏡對不同變形量下材料的微觀組織演變及可動位錯和溶質(zhì)、第二相的交互作用進行表征，采用美國賽默飛世爾光電直讀光譜儀對實驗用5182 合金進行化學成分測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸變形不同階段的呂德斯效應、PLC效應

試樣室溫拉伸的應力-應變曲線如圖1 所示。在拉伸開始時，材料處于彈性變形階段，曲線平滑，無明顯應力波動（見圖1a）。經(jīng)彈性變形后，在拉伸應變達到0.25%左右時，曲線出現(xiàn)鋸齒后進入屈服平臺，發(fā)生呂德斯效應，其中屈服點延伸率（Yield Point Elongation，YPE）約為0.3%，對于5 系高Mg 鋁合金，一方面，Mg 原子形成的Mg 溶質(zhì)原子柯氏氣團會釘扎位錯，阻礙位錯的移動，另一方面，在變形初期，材料位錯密度較低，無法實現(xiàn)位錯的快速增殖，因此，當拉伸變形到屈服階段時，在塑性變形下的應力集中處，被Mg 溶質(zhì)原子柯氏氣團釘扎的位錯會隨著外界應力的增大而脫釘為可動位錯，并在較低的應力下維持塑性變形的發(fā)展，形成如圖1b 所示的屈服平臺[13-15]。當可動位錯掃過試樣表面時，會形成火焰狀的局部變形帶，即A 型呂德斯帶，如圖2 所示[4,10]。對于 5 系鋁合金汽車板，一般需要避免材料存在YPE，防止在零件沖壓時，在一些變形量較小且存在應力突變的區(qū)域形成A 型火焰狀呂德斯帶（見圖2）。因此，對于5182 材料，一般在保證其沖壓成形性的前提下，可通過矯直或預拉伸將YPE 消除[8,16-17]。黎鳳等[18]研究發(fā)現(xiàn)，合適的矯直量或預拉伸量既可以保證沖壓成形性，又可以消除YPE 和A 型呂德斯帶。在屈服階段后，材料進入加工硬化階段，曲線開始出現(xiàn)應力波動，進入PLC 效應臨界區(qū)，當拉伸應變達到4%左右時，應力上下波動幅度開始增大（見圖1c）。隨著拉伸的進一步進行，在應變達到5%時，應力上下波動幅度和頻率強烈，應力跌幅最大達到5 MPa左右（見圖1d），進入PLC 效應深入發(fā)展區(qū)。目前，基于管擴散的動態(tài)應變時效（DSA）的微觀作用機制對PLC 效應（宏觀的鋸齒型應力流動行為）的解釋被大多學者認可，這一機制認為，當材料變形時，在材料中的可動位錯會在運動時被聚滿溶質(zhì)原子的林位錯阻撓，在位錯等待進一步運動的時間內(nèi)，富集于林位錯上的溶質(zhì)原子將以管擴散形式沿著可動位錯核擴散移動，隨之釘扎可動位錯，可動位錯移動的勢壘增加，直至外界提供的外力足夠，才能克服勢壘而自由移動，直至再次被林位錯所阻礙，從而反復釘扎-脫釘，形成鋸齒型應力流動行為[7,19-20]。此外，曹鵬濤[13]和劉灝文等[21]認為，材料中的析出相可起到類似林位錯的阻攔作用，加劇PLC 效應。考慮到汽車板實際沖壓情況，本文僅分析0%～10%應變內(nèi)材料的拉伸變形行為、呂德斯效應和PLC 效應。

圖1 應變速率為6.7×10?3 s?1 的5182-O 試樣室溫拉伸應力-應變曲線Fig.1 Room temperature tensile stress-strain curve of 5182-O sample with a strain rate of 6.7×10?3 s?1

圖2 使用本實驗所用5182 鋁合金汽車板沖壓時A 型呂德斯帶表現(xiàn)Fig.2 Performance of type-A Luders band during stamping of 5182 aluminum alloy automotive plate used in the experiment

2.2 不同變形量材料表面宏觀組織形貌及呂德斯帶演變

材料在不同變形量下的呂德斯帶表現(xiàn)如圖3 所示。當試樣拉伸量為0.5%時，材料表面光滑，無呂德斯帶形成，但當使用同一材料進行零件實際沖壓時，表面明顯形成了A 型火焰狀呂德斯帶。結(jié)合圖1的拉伸變形行為、呂德斯效應、PLC 效應可知，當拉伸量為0.5%時，材料經(jīng)過彈性變形后進入屈服階段，發(fā)生呂德斯效應，但由于實驗預拉伸試樣為長方形試樣，板面無應力突變區(qū)域，故當可動位錯脫釘自由移動掃過試樣表面時，無應力突變區(qū)域阻攔，未形成明顯的局部變形帶，而當零件沖壓時，形成A 型呂德斯帶的區(qū)域不僅變形量較小（處于呂德斯效應階段），且該區(qū)域應力發(fā)生了突變，如圖2 方框標記區(qū)域所示，可動位錯經(jīng)過方框標記區(qū)域所指的應力突變線后無法有效繼續(xù)傳播，從而形成了明顯的局部變形帶，這一現(xiàn)象在Choi 等[22]的研究中也有介紹。當拉伸量為1%時，材料處于加工硬化初期，經(jīng)歷了彈性變形和屈服階段，整體變形行為與拉伸量為0.5%時的材料行為一致，表面也比較光滑，無呂德斯帶形成。當變形量增大至3%時，材料表面形成了與軋向呈一定傾角的平行條帶，即B 型呂德斯帶。繼續(xù)增大變形量至5%，材料表面形成的變形條帶明顯增多，表面也更加粗糙，其中在表面有不同方向的變形條帶產(chǎn)生，曹鵬濤等[23]在研究PLC 效應的特殊空域時也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，研究表明，PLC 材料在變形中后期存在多帶共存和條帶傾角轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。結(jié)合圖1d 分析可知，當應變?yōu)?%時，應力上下波動幅度和頻率較大，應力跌幅（某峰值應力和相鄰谷底應力差值）最大達到5 MPa 左右。材料處于PLC 效應深入發(fā)展區(qū)，PLC效應較為劇烈，變形量較大，單條變形帶承載的塑性變形量已經(jīng)無法匹配加載應變率，需多帶共存以承載塑性變形。繼續(xù)增大變形量至7%，材料表面不同方向的變形條帶增多，直至變形量至10%，此時變形條帶最為粗糙。

圖3 不同變形量下5182 鋁合金呂德斯帶表現(xiàn)Fig.3 Luders band performance of 5182 aluminum alloy under different deformation

為進一步分析材料變形時不同階段表面形貌的演變規(guī)律，進行拓撲儀分析，材料表面二維和三維形貌分別如圖4 和圖5 所示。當變形量較低（0%～1%）時，材料表面雖未形成明顯宏觀變形條帶，但在材料表面留下了變形痕跡，變形痕跡具有明顯方向性，與軋向（R）呈一定角度。當變形量為3%左右時，材料表面形成了變形條帶，條帶寬度、深度和條帶間隙明顯不均，這一現(xiàn)象可用鋸齒應力行為的3 個重要特征解釋。應力跌幅Δσ為某峰值應力和相鄰谷底應力的差值，反映了發(fā)生鋸齒行為時溶質(zhì)原子和析出相對可動位錯的釘扎強度，應力跌幅Δσ越大，釘扎強度越強，變形條帶越深。重加載時間tr為某谷底應力攀升到相鄰峰值應力時所需時間，反映了可動位錯被釘扎住的時間。應力跌落時間td為從某峰值應力跌落至相鄰谷底應力所需時間，反映了可動位錯克服障礙脫釘移動所需時間。鋸齒應力曲線3 個重要特征的示意圖如圖6 所示。結(jié)合圖1 可知，當變形量為3%時，在這一階段，材料處于PLC 效應臨界區(qū)，鋸齒應力流變行為不穩(wěn)，鋸齒應力波動頻率以及上下波動幅度不均，導致在該階段變形時，在釘扎-脫釘反復過程中，應力跌幅Δσ、重加載時間tr和應力跌落時間td不一致，從而導致變形條帶寬度、深度和條帶間隙明顯不均。隨著變形量的增大，到達PLC 效應深入發(fā)展區(qū)階段，此時鋸齒應力波動頻率以及上下波動幅度較為一致，對應的變形寬度、深度和條帶間隙也較為一致。隨著變形量的增大，材料表面變形條帶逐漸致密，深度逐漸增大，最大深度可達8 μm 左右。

圖4 不同變形量5182 材料表面二維形貌Fig.4 2D surface morphology of 5182 materials with different deformation

圖5 不同變形量5182 材料表面三維形貌Fig.5 3D surface morphology of materials with different deformation

圖6 鋸齒應力曲線3 個重要特征的示意圖Fig.6 Diagram of 3 important features of sawtooth stress curve

2.3 不同變形量材料位錯演變及位錯與析出相、晶界交互作用

5182-O 合金汽車板不同變形量下的位錯演變透射電鏡照片如圖7 所示。可以看出，當變形量為1%時，變形程度較小，如圖7a 所示，材料位錯密度較低，未發(fā)現(xiàn)位錯明顯纏結(jié)，位錯呈現(xiàn)散布狀態(tài)，在灰色析出相周圍位錯較為聚集。從圖7d 局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)，位錯切入灰色析出相中，表明析出相也參與了可動位錯釘扎。當變形量增大至3%時，F(xiàn)LC 處于PLC 效應臨界區(qū)，如圖7b 所示，該階段位錯快速增殖，位錯密度顯著增大，位錯相互交叉纏結(jié)，局部區(qū)域形成了小范圍位錯塞積群，但并未形成明顯林位錯墻。材料變形達到7%時位錯的情況如圖7c 所示，整個觀察區(qū)域皆已經(jīng)形成位錯塞積群，且形成了明顯的林位錯墻。此外，進一步觀察到位錯在析出相周圍聚集且切過析出相（圖7c 中箭頭所指）。

5182-O 合金汽車板不同變形量下位錯與第二相和晶界交互作用的透射電鏡照片如圖8 所示。從圖8a 和圖8b 可以清晰看到位錯經(jīng)過析出相的情況，可觀察到當可動位錯經(jīng)過析出相時，切入析出相里的位錯移動距離明顯小于未切入析出相的位錯移動距離，這表明在經(jīng)過析出相時，可動位錯進入析出相的部分運動受阻，而可動位錯未進入析出相部分的運動遲滯阻力明顯低于切入析出相里的位錯運動受到的阻力，從而形成與位錯運動方向相反的反弓型運動軌跡。隨后，可動位錯在外力的作用下，或切過析出相繼續(xù)移動，或無法逃脫析出相釘扎，在析出相處纏結(jié)，直至外界應力足夠大時，得到解釘[24-25]。上述現(xiàn)象證明在5182 鋁合金變形時，第二相參與了可動位錯移動釘扎。曹鵬濤[13]和劉顥文等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當Al-Mg5052合金試件拉伸變形時，存在位錯纏繞和切過析出相的現(xiàn)象，他們還提出了廣義管擴散DSA 機制。5182 鋁合金汽車板變形時位錯于晶界處堆積的現(xiàn)象如圖8c所示，可以清晰發(fā)現(xiàn)，位錯在晶界處被釘扎堆積，可動位錯的運動被遲滯，對于5×××鋁合金，晶粒尺寸（晶界）對5 系鋁合金沖壓零件表面質(zhì)量至關重要。在工業(yè)生產(chǎn)中，通常通過調(diào)控合金晶粒尺寸以減弱晶界對位錯移動的阻礙，改善5×××鋁合金表面質(zhì)量。

圖8 5182 鋁合金汽車板變形時位錯與第二相、晶界交互作用Fig.8 Dislocation of 5182 aluminum alloy automotive plate interacts with the second phase and grain boundary during deformation: a) dislocation cut through the second phase; b) local magnification of Fig.a; c) dislocation enrichment at the grain boundary

綜上，隨著試件材料變形量的增大，位錯快速增殖，位錯密度快速增大，位錯的形態(tài)從小變形量的散布狀態(tài)逐漸演變到位錯相互交叉纏結(jié)形成小范圍位錯塞積群（PLC 效應臨界區(qū)時），最終演變至大范圍的位錯塞積群和林位錯墻（PLC 效應深入發(fā)展區(qū)時）。當試件變形時，析出相和晶界都是PLC 效應的重要影響因素。

3 結(jié)論

1）汽車板用5182-O 鋁合金在拉伸變形時，材料主要經(jīng)過彈性變形、屈服階段（呂德斯效應）、PLC效應臨界區(qū)和PLC 效應深入發(fā)展區(qū)，對應材料表面宏觀形貌轉(zhuǎn)變規(guī)律如下：由光滑無缺陷的表面逐漸演變?yōu)閱螚l變形帶、多條變形帶和最終粗糙致密的變形條帶。

2）當汽車板用5182-O 鋁合金變形處于PLC 效應深入發(fā)展區(qū)時，如果單條變形帶承載的塑性變形量與加載應變率不匹配，則會向多條變形帶轉(zhuǎn)化，使條帶逐漸致密，表面粗糙度也逐漸增大。

3）當材料變形發(fā)生PLC 效應時，若鋸齒應力流變行為不穩(wěn)，那么鋸齒應力波動頻率以及上下波動幅度不均，對應宏觀形貌為變形條帶寬度、深度和條帶間隙明顯不均勻。

4）隨著試件材料變形量的增大，位錯快速增殖，位錯密度快速增大，位錯的形態(tài)從小變形量的散布狀態(tài)，逐漸演變?yōu)槲诲e相互交叉纏結(jié)形成小范圍位錯塞積群（PLC 效應臨界區(qū)時），最終演變至大范圍的位錯塞積群和林位錯墻（PLC 效應深入發(fā)展區(qū)時）。

5）當變形量較小時，位錯密度低，位錯增殖速度緩慢，呂德斯效應、PLC 效應弱，材料表面無明顯變形條帶。而當變形量較大時，位錯增殖迅速，位錯相互纏結(jié)，位錯與第二相、晶界交互作用，形成位錯塞積群和林位錯墻，PLC 效應劇烈，變形不均，導致表面變形條帶形成。