關(guān)于鑄軋Al-M n合金板材的各向異性的研究
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作者：張毅
1 材料與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)采用厚度為7 mm的Al-M n鑄軋板材冷軋至4 mm厚，其化學(xué)成分為0.6%的Si、0.7%的Fe、0.1%的Cu、1.2%的M n、0.1%的Zn，余為Al。利用線切割機(jī)按圖1分別沿著鑄軋鋁板軋向O0、450、900夾角方向切取拉伸試樣及若干金相試樣與薄片試樣，拉伸試樣尺寸按GB6397-86標(biāo)準(zhǔn)制備。
利用WDW3100微機(jī)萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.9 mm/min，每個方向進(jìn)行一次拉伸試驗(yàn)；利用金相顯微鏡對板材進(jìn)行金相組織觀察與分析；用砂紙將薄片試樣打磨至厚度低于100um，在DJ-2000雙噴減薄儀上對其減薄，利用JEM-3010透射電鏡對板材的第二相形貌進(jìn)行觀察；利用FEI-Si ri-on200場發(fā)射掃描電鏡采集試樣EBSD數(shù)據(jù)，通過OIM軟件分析鑄軋鋁板的織構(gòu)組分含量及其分布。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 力學(xué)性能
圖2是鑄軋鋁板不同取向條件下的拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線。可以看出，鑄軋鋁板不同方向上的力學(xué)性能存在一定差異。板材00、450、900方向的試樣屈服強(qiáng)度分別為158. 51、141. 78、164. 32 M Pa;抗拉強(qiáng)度分別為181. 01、159.10、192. 03 M Pa;伸長率分別為10. 01%、9. 57%、8.82%。鑄軋鋁板3個方向上的試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長率均存在差異，表現(xiàn)出力學(xué)性能的各向異性。
板材平面的各向異性指數(shù)(IPA)可表示為：
式中，Xmax、Xmid、Xmin分別為同一力學(xué)參數(shù)在3個方向上的最大值、中間值與最小值。計算結(jié)果表明，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率的IPA值分別為8.63、10. 51、8. 96，表明鑄軋鋁板力學(xué)性能具有各向異性。
2.2 組織形貌特征
圖3為鑄軋鋁板不同取樣位置的金相顯微組織。由圖3可見，鑄軋鋁板上軋面與下軋面晶粒較為粗大，呈扁平狀；縱截面晶粒沿著軋向呈長條帶狀；橫截面晶粒呈扁平狀，大小不一，分布不均勻，這與縱截面晶粒形貌相一致。由于本試驗(yàn)所用鑄軋鋁帶是由原始鑄軋帶經(jīng)40%冷軋而來，軋面因受軋輥法向壓應(yīng)力作用，表面晶粒被壓平，晶粒呈扁平狀，尺寸較為粗大；軋向縱截面上組織由于在軋制時受拉應(yīng)力作用呈長條帶狀，橫向晶粒呈扁平狀，大小各異，分布不均，這也是由于軋制力作用導(dǎo)致晶粒扁平化的結(jié)果。圖4為鑄軋鋁帶的TEM圖。圖4a中箭頭方向?yàn)殍T軋鋁帶晶粒內(nèi)部含有大量位錯，位錯之間聚集形成位錯墻，在晶粒內(nèi)部形成亞晶結(jié)構(gòu)；而圖4b顯示出鑄軋鋁板中含有細(xì)小圓球狀、長條棒狀以及較粗大圓球狀等多種形狀的第二相，其中長條棒狀第二相沿著軋向伸長，這是由于軋輥的壓力導(dǎo)致的。鑄軋鋁板的這種長條帶狀晶粒以及沿著軋向伸長的第二相可能是造成其力學(xué)各向異性的原因之一。
通過OIM軟件分析EBSD數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果顯示鑄軋鋁板中主要含{ 112}<111>織構(gòu)、{123}<634>織眾所周知，單晶體滑移啟動的條件可表達(dá)為：
不同工藝下鋁合金板材的微觀織構(gòu)、基體組織以及第二相的形狀、尺寸、分布情況均會造成材料性能上的各向異性。晶粒尺寸上的差異以及形狀上的非等軸性造成晶界在三維空間中分布不均勻，在塑性變形過程中，對不同方向位錯的阻礙作用存在差異，即晶界對板材不同方向的強(qiáng)化作用不同。而第二相形貌以及分布的不均勻性導(dǎo)致其對板材不同方向的位錯釘扎作用存在差異，同樣會導(dǎo)致性能上的各向異性。綜上所述，在考慮板材強(qiáng)度受織構(gòu)、晶界以及第二相影響的情況下，鑄軋鋁板中沿著板材軋向拉長的長條形帶狀晶粒、形狀各異的第二相及其分布的不均勻性可能使得板材900方向上強(qiáng)度提高，在織構(gòu)、晶界與第二相的共同作用下鑄軋鋁板才表現(xiàn)出900方向上強(qiáng)度最高而450方向上強(qiáng)度最低的試驗(yàn)現(xiàn)象。這一推論也有相似之處，即具有取向性的第二相（T l相）導(dǎo)致Ce2090板材橫向及450方向上強(qiáng)度高于軋向。至于多織構(gòu)板材中晶界、第二相與力學(xué)各向異性之間的具體關(guān)系及其作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。
4 結(jié) 論
(1)鑄軋鋁板在450方向上強(qiáng)度最低，900方向上強(qiáng)度最高，其屈服強(qiáng)度分別為141. 78、164. 32 M Pa，而伸長率在00方向最高，900方向則最低，各項(xiàng)力學(xué)性能的IPA值均大于8，特別是抗拉強(qiáng)度IPA值達(dá)到10. 51，表現(xiàn)出力學(xué)性能的各向異性。
(2)鑄軋鋁板的晶粒組織呈沿著軋向分布的長條帶狀，其第二相形狀尺寸各異且分布不均勻；鑄軋鋁板主要含{112}<111>織構(gòu)與{123}<634>織構(gòu)，它們所占的體積分?jǐn)?shù)分別為21. 8%、27.4%；織構(gòu)、晶界以及第二相的共同作用導(dǎo)致了鑄軋鋁板力學(xué)性能的各向異性。
5 摘要分析了織構(gòu)、晶界及第二相對鑄軋Al- M n合金板材各向異性的影響。結(jié)果表明，鑄軋鋁板與軋向O0、450、900夾角方向上屈服強(qiáng)度分別為158.51、141. 78、164. 32 M Pa，且其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率的平面各向異性指數(shù)(IPA)均大于8，表明其力學(xué)性能具有各向異性；鑄軋鋁板的晶粒沿著軋向呈帶狀，主要含{112}<111>、{123}<634>兩種織構(gòu)，第二相呈非等軸狀且分布不均勻；織構(gòu)、晶界及第二相的共同作用導(dǎo)致了鑄軋鋁板力學(xué)性能的各向異性。
