关于铸轧Al-M n合金板材的各向异性的研究

  作者：张毅

   1  材料与试验方法

    试验采用厚度为7 mm的Al-M n铸轧板材冷轧至4 mm厚，其化学成分为0.6%的Si、0.7%的Fe、0.1%的Cu、1.2%的M n、0.1%的Zn，余为Al。利用线切割机按图1分别沿着铸轧铝板轧向O0、450、900夹角方向切取拉伸试样及若干金相试样与薄片试样，拉伸试样尺寸按GB6397-86标准制备。

利用WDW3100微机万能拉伸试验机对试样进行拉伸试验，拉伸速率为0.9 mm/min，每个方向进行一次拉伸试验；利用金相显微镜对板材进行金相组织观察与分析；用砂纸将薄片试样打磨至厚度低于100um，在DJ-2000双喷减薄仪上对其减薄，利用JEM-3010透射电镜对板材的第二相形貌进行观察；利用FEI-Si ri-on200场发射扫描电镜采集试样EBSD数据，通过OIM软件分析铸轧铝板的织构组分含量及其分布。

2  试验结果与分析

2.1  力学性能

    图2是铸轧铝板不同取向条件下的拉伸应力一应变曲线。可以看出，铸轧铝板不同方向上的力学性能存在一定差异。板材00、450、900方向的试样屈服强度分别为158. 51、141. 78、164. 32  M Pa;抗拉强度分别为181. 01、159.10、192. 03 M Pa;伸长率分别为10. 01%、9. 57%、8.82%。铸轧铝板3个方向上的试样屈服强度、抗拉强度及伸长率均存在差异，表现出力学性能的各向异性。

板材平面的各向异性指数(IPA)可表示为：

式中，Xmax、Xmid、Xmin分别为同一力学参数在3个方向上的最大值、中间值与最小值。计算结果表明，屈服强度、抗拉强度、伸长率的IPA值分别为8.63、10. 51、8. 96，表明铸轧铝板力学性能具有各向异性。

2.2  组织形貌特征

    图3为铸轧铝板不同取样位置的金相显微组织。由图3可见，铸轧铝板上轧面与下轧面晶粒较为粗大，呈扁平状；纵截面晶粒沿着轧向呈长条带状；横截面晶粒呈扁平状，大小不一，分布不均匀，这与纵截面晶粒形貌相一致。由于本试验所用铸轧铝带是由原始铸轧带经40%冷轧而来，轧面因受轧辊法向压应力作用，表面晶粒被压平，晶粒呈扁平状，尺寸较为粗大；轧向纵截面上组织由于在轧制时受拉应力作用呈长条带状，横向晶粒呈扁平状，大小各异，分布不均，这也是由于轧制力作用导致晶粒扁平化的结果。图4为铸轧铝带的TEM图。图4a中箭头方向为铸轧铝带晶粒内部含有大量位错，位错之间聚集形成位错墙，在晶粒内部形成亚晶结构；而图4b显示出铸轧铝板中含有细小圆球状、长条棒状以及较粗大圆球状等多种形状的第二相，其中长条棒状第二相沿着轧向伸长，这是由于轧辊的压力导致的。铸轧铝板的这种长条带状晶粒以及沿着轧向伸长的第二相可能是造成其力学各向异性的原因之一。

通过OIM软件分析EBSD数据，统计结果显示铸轧铝板中主要含{ 112}<111>织构、{123}<634>织众所周知，单晶体滑移启动的条件可表达为：

    不同工艺下铝合金板材的微观织构、基体组织以及第二相的形状、尺寸、分布情况均会造成材料性能上的各向异性。晶粒尺寸上的差异以及形状上的非等轴性造成晶界在三维空间中分布不均匀，在塑性变形过程中，对不同方向位错的阻碍作用存在差异，即晶界对板材不同方向的强化作用不同。而第二相形貌以及分布的不均匀性导致其对板材不同方向的位错钉扎作用存在差异，同样会导致性能上的各向异性。综上所述，在考虑板材强度受织构、晶界以及第二相影响的情况下，铸轧铝板中沿着板材轧向拉长的长条形带状晶粒、形状各异的第二相及其分布的不均匀性可能使得板材900方向上强度提高，在织构、晶界与第二相的共同作用下铸轧铝板才表现出900方向上强度最高而450方向上强度最低的试验现象。这一推论也有相似之处，即具有取向性的第二相（T l相）导致Ce2090板材横向及450方向上强度高于轧向。至于多织构板材中晶界、第二相与力学各向异性之间的具体关系及其作用机制仍有待进一步研究。

4  结  论

    (1)铸轧铝板在450方向上强度最低，900方向上强度最高，其屈服强度分别为141. 78、164. 32 M Pa，而伸长率在00方向最高，900方向则最低，各项力学性能的IPA值均大于8，特别是抗拉强度IPA值达到10. 51，表现出力学性能的各向异性。

(2)铸轧铝板的晶粒组织呈沿着轧向分布的长条带状，其第二相形状尺寸各异且分布不均匀；铸轧铝板主要含{112}<111>织构与{123}<634>织构，它们所占的体积分数分别为21. 8%、27.4%；织构、晶界以及第二相的共同作用导致了铸轧铝板力学性能的各向异性。 

5 摘要分析了织构、晶界及第二相对铸轧Al- M n合金板材各向异性的影响。结果表明，铸轧铝板与轧向O0、450、900夹角方向上屈服强度分别为158.51、141. 78、164. 32 M Pa，且其屈服强度、抗拉强度、伸长率的平面各向异性指数(IPA)均大于8，表明其力学性能具有各向异性；铸轧铝板的晶粒沿着轧向呈带状，主要含{112}<111>、{123}<634>两种织构，第二相呈非等轴状且分布不均匀；织构、晶界及第二相的共同作用导致了铸轧铝板力学性能的各向异性。