胥福順，張 勁，鄧運來，張新明

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蛇形軋制對Al-Cu-Mg合金板材強韌性能及微觀組織的影響

胥福順1, 2，張 勁3, 4，鄧運來1, 4，張新明1, 4

(1. 中南大學材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 云南冶金集團服份有限公司，昆明 650502；3. 中南大學輕合金研究院，長沙 410083；4. 中南大學高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

基于實驗室自制蛇形軋制裝置，采用室溫拉伸、Kahn撕裂、電子背散射衍射(EBSD)等測試方法對比研究蛇形軋制非對稱工藝參數(shù)對Al-Cu-Mg合金軋制板材的室溫強度、斷裂韌性和顯微組織的影響。結(jié)果表明：合理的蛇形軋制工藝在能夠使Al-Cu-Mg合金板材保持強度性能的同時，顯著提升其斷裂韌性。當偏移量相同時，蛇形軋制板材的強度性能隨著異速比增加而提高，但伸長率和斷裂韌性降低；當異速比相同時，隨著偏移量增加，蛇形軋制板材強度降低，伸長率和斷裂韌性明顯升高。在偏移量10mm且異速比為1.1的條件下，蛇形軋制試樣裂紋單位形核能提升高14%~36%。這是由于蛇形軋制能夠增強Al-Cu-Mg合金板材Cube織構(gòu)并減弱Brass織構(gòu)，形成具有更高裂紋擴展阻力的織構(gòu)組態(tài)所致。

Al-Cu-Mg合金；蛇形軋制；力學性能；織構(gòu)；裂紋擴展

Al-Cu-Mg合金板材是現(xiàn)代民用飛機機身和機翼的重要結(jié)構(gòu)材料，具有強度高、耐疲勞性能好、成形性優(yōu)良等特點[1?3]。近年來航空工業(yè)的快速發(fā)展對Al-Cu-Mg合金板材的綜合性能提出了更高的要求，如具有變曲率復(fù)雜外形薄板、蒙皮類構(gòu)件，需承受較大的增壓載荷，具有高強度和高韌性是延長該類構(gòu)件使用壽命的重要保證[4?6]。傳統(tǒng)軋制工藝的板材心部變形量小，產(chǎn)生的厚向組織與性能不均勻性降低了構(gòu)件的服役性能[7]。異步軋制就是針對該問題而發(fā)展起來的軋制方法，由于上下兩個軋輥的轉(zhuǎn)速不同，導(dǎo)致上下面中性點位置發(fā)生偏移，使板材同時受到壓力和剪切力，增加板材總變形量，使變形更深入，厚向更均 勻[8]。但軋件不均勻變形會使板材向慢速輥側(cè)彎曲，影響產(chǎn)品形狀[9?11]。

蛇形軋制是新發(fā)展的一種上下軋輥同時具有錯位量和異速比的金屬板材非對稱軋制方法，能夠通過剪切變形使板材比常規(guī)軋制更深入心部，同時輥間錯位量又可控制因軋輥異速引起的板材彎曲[12?14]。WU 等[15]通過分析7075鋁合金板在蛇形軋制和常規(guī)軋制過程中的應(yīng)力和應(yīng)變，證明蛇形軋制可以使變形迅速滲透到板材心部，且軋輥轉(zhuǎn)速大的一側(cè)板材流變速率和等效應(yīng)變更大。FU等[16?17]結(jié)合有限元模擬和軋制實驗，總結(jié)蛇形軋制錯位量、異速比、壓下量和初始板厚對板材彎曲情況的影響規(guī)律，并設(shè)計合理的軋制條件匹配最大程度減小板材彎曲。LI等[18]研究1060鋁板蛇形軋制后的彎曲和織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)蛇形軋制具有比常規(guī)軋制弱的Brass織構(gòu)和略為高的立方織構(gòu)，并且拉伸強度區(qū)別不大。WRONSKI等[19]研究了異速比在1~1.5范圍內(nèi)的非對稱軋制對鋁合金板材晶粒尺寸與各向異性的影響規(guī)律及其表征，驗證了非對稱軋制制備均勻材料的可行性?？梢?，蛇形軋制鋁合金板材具有良好的應(yīng)用前景和研發(fā)潛力。

本文作者以航空高強Al-Cu-Mg合金板材為對象，對比研究經(jīng)過不同工藝蛇形軋制及常規(guī)軋制后合金板材的力學性能、撕裂性能、晶粒組織以及各向異性的影響規(guī)律，探索提高Al-Cu-Mg合金板材綜合性能的蛇形軋制工藝參數(shù)，為航空高性能鋁合金板材制備提供參考依據(jù)。

1 實驗

實驗所用材料為厚度20 mm的Al-Cu-Mg合金熱軋板，其化學成分如表1所示。沿軋制方向切取試樣尺寸為110 mm×80 mm×20 mm。

表1　Al-Cu-Mg合金試樣的化學成分

實驗采用自制蛇形軋制裝置，軋輥半徑為50 mm，如圖1所示，采用不同的偏移量(Δ)和異速比(1/2)將板材試樣先熱軋至10 mm，其中開軋溫度420℃，終軋溫度不低于350℃；之后再冷軋至厚度5 mm，道次壓下量均為1 mm。具體的試樣編號與試驗條件如表2所示。

軋制結(jié)束后，對試樣進行T39熱處理，即495 ℃、1 h固溶處理及水浴淬火，經(jīng)室溫預(yù)時效5 h后進行9%冷壓變形，最后自然時效96 h。時效結(jié)束后用電火花線切割機取樣。室溫力學性能采用CSS?44100型萬能材料試驗機測試，拉伸速率為2 mm/min，每個板材試樣選取5個平行樣品，計算平均值。根據(jù)ASTM B871?01標準分別沿板材軋制方向0°、45°和90°方向切取Kahn撕裂試樣，撕裂實驗在MTS810動態(tài)疲勞試驗機上進行，拉伸速度為1 mm/min。使用單位面積裂紋形核能(UIE)表征試樣的撕裂性能，即形核功與試樣撕裂截面積之比，通過UIE值也能夠體現(xiàn)鋁合金的斷裂韌性大小[20]。在FEI HELIOS NanoLab 600i型電子雙束顯微電鏡下進行電子背散射衍射(EBSD)測試，觀測分析試樣撕裂斷口形貌以及晶粒取向。

圖1 蛇形軋制示意圖及偏移量和異速比

表2 試樣的軋輥參數(shù)

2 實驗結(jié)果

2.1 合金的力學性能

圖2所示為Al-Cu-Mg合金板材經(jīng)不同偏移量和異速比的蛇形軋制后T39熱處理狀態(tài)試樣的室溫力學性能測試結(jié)果。由圖2可見，當偏移量相同時，試樣的強度性能隨著異速比的增加而提高，但伸長率降低；當異速比相同時，隨著偏移量增加，試樣的強度降低，但伸長率則明顯升高。相比于常規(guī)軋制(Δ=0，1/2= 1)，蛇形軋制不會降低試樣的強度性能，在一定的工藝參數(shù)條件下會使試樣的強度性能出現(xiàn)較明顯的提高，如偏移量4 mm且異速比為1.3的條件下，試樣屈服強度和抗拉強度最高，比常規(guī)軋制高14%，但同時伸長率下降了42%。在偏移量10 mm且異速比為1.1的條件下，蛇形軋制試樣相比于常規(guī)軋制的強度性能接近，僅有1%~2%的略微提升，伸長率則提高6%。

圖2 經(jīng)蛇形軋制后T39熱處理狀態(tài)試樣的室溫力學性能

圖3所示為Al-Cu-Mg合金板材經(jīng)不同偏移量和異速比的蛇形軋制后T39熱處理狀態(tài)下沿軋向0°、45°、90° 3個方向的裂紋臨界耗散能(UIE)。由于UIE值與斷裂韌性為正比轉(zhuǎn)換關(guān)系，根據(jù)UIE值的對比可以獲得對試樣斷裂韌性的評價[20]。由圖3中可以看出，3個方向中沿軋向90°方向的斷裂韌性最大，UIE值可達到228.19，其次為45°方向，沿軋制方向試樣的斷裂韌性最低，存在這種趨勢的原因是板材在軋制及固溶后的預(yù)變形中晶粒被拉長，90°方向的撕裂需要跨過比沿軋制方向更多的晶粒和晶界。當偏移量相同時，試樣的斷裂韌性隨著異速比的增加而降低；當異速比相同時，隨著偏移量增加，試樣的斷裂韌性大幅度提高，如偏移量為10 mm時，異速比由1.1增加至1.3可使試樣在沿軋向90°方向的UIE值增幅達到88%。相比于常規(guī)軋制，蛇形軋制的偏移量是影響斷裂韌性的重要參數(shù)，當偏移量較小時(4 mm)，蛇形軋制試樣的斷裂韌性均低于常規(guī)軋制；當偏移量較大時(10 mm)，蛇形軋制試樣的斷裂韌性明顯提升并高于常規(guī)軋制，如在偏移量10 mm且異速比為1.1的條件下，蛇形軋制試樣的斷裂韌性相比于常規(guī)軋制，0°、45°、90° 3個方向的UIE值分別提升了14%、24%、36%。

圖3 經(jīng)蛇形軋制后T39熱處理狀態(tài)試樣的UIE值

2.2 合金的顯微組織

綜合室溫拉伸與Kahn撕裂試驗的結(jié)果可知，蛇形軋制參數(shù)的改變能夠影響板材最終性能，合理的偏移量與異速比匹配可以實現(xiàn)不同力學性能的協(xié)同提升，其中蛇形軋制對板材性能的影響主要表現(xiàn)為裂紋臨界耗散能(UIE)的明顯提升。為探明蛇形軋制后板材試樣抗撕裂性能提升的原因，對比分析偏移量10 mm、異速比1.1的蛇形軋制板材與常規(guī)軋制的微觀組織。

圖4所示為EBSD測得的常規(guī)軋制與蛇形軋制(Δ=10 mm，1/2=1.1)板材T39態(tài)試樣RD-ND面的晶粒IPF圖(Inverse pole figure)以及用OIM分析軟件處理得到相應(yīng)的{111}極圖。由圖4中可見，軋制后晶粒組織整體呈主要沿軋制方向(RD)扁片狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，相比于常規(guī)軋制，蛇形軋制后板材的晶粒尺寸較大。這說明蛇形軋制變形儲能較大，在固溶處理時發(fā)生了再結(jié)晶。對比常規(guī)軋制與蛇形軋制試樣IPF圖的顏色分布可以發(fā)現(xiàn)，二者存在較明顯的織構(gòu)差異，因此，基于EBSD取向數(shù)據(jù)對兩種試樣的織構(gòu)組成進行了分析。從圖4中的極圖可以看出，蛇形軋制與常規(guī)軋制試樣的織構(gòu)組成有明顯區(qū)別，前者織構(gòu)分布則更為集中。

圖4 Al-Cu-Mg合金T39態(tài)板材RD-ND面上的IPF圖及相應(yīng)的{111}極圖

圖5 Al-Cu-Mg合金軋制板材試樣的ODF圖

3 分析與討論

上述分析說明晶粒{111}面組與主應(yīng)力平面的最小夾角min值可以反映晶粒取向?qū)α鸭y擴展阻力大小的貢獻，因此，板材中不同的織構(gòu)組分抵抗裂紋的能力也可以用其進行表征。圖7所示為鋁合金軋制板材中主要織構(gòu)類型在不同主應(yīng)力平面的min值對比，可見Cube織構(gòu)的min值最高，而Brass織構(gòu)最低。根據(jù)圖5中的織構(gòu)分析結(jié)果，蛇形軋制T39態(tài)板材的Brass織構(gòu)減弱、Cube織構(gòu)增強，而織構(gòu)、Goss織構(gòu)和Cu織構(gòu)則差別不大，因此其織構(gòu)組態(tài)朝著有利于提高斷裂韌性的方向演變，從而與圖3中蛇形軋制板材UIE值提升的結(jié)果相吻合。

圖6 Al-Cu-Mg合金T39態(tài)板材試樣中裂紋尖端附近EBSD圖

圖7 鋁合金軋制板材主要織構(gòu)類型在不同主應(yīng)力平面的θmin平均值

表3 裂紋尖端附近晶粒的歐拉角及其θ角計算值

4 結(jié)論

1) 當偏移量相同時，蛇形軋制Al-Cu-Mg合金板材的強度性能隨著異速比增加而提高，但伸長率降低；當異速比相同時，隨著偏移量增加，蛇形軋制板材強度降低，但伸長率則明顯升高；當偏移量和異速比合理匹配時(Δ=10 mm，1/2=1.1)，能夠同時提高軋制板材的強度和伸長率。

2) 相比于常規(guī)軋制，蛇形軋制的偏移量增大能夠顯著提升Al-Cu-Mg合金板材試樣的斷裂韌性。當偏移量相同時，試樣的斷裂韌性隨著異速比的增加而降低。在偏移量10 mm且異速比為1.1的條件下，蛇形軋制試樣UIE值提升高14%~36%。

3) 相比于常規(guī)軋制，蛇形軋制能夠增強Al-Cu-Mg合金板材的Cube織構(gòu)，并顯著減弱Brass織構(gòu)，形成具有更高裂紋擴展阻力的織構(gòu)組態(tài)，從而有利于軋制板材斷裂韌性的提高。

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Effect of snake rolling on strength, toughness and microstructure of Al-Cu-Mg alloy plate

XU Fu-shun1, 2, ZHANG Jin3, 4, DENG Yun-lai1, 4, ZHANG Xin-ming1, 4

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Yunnan Metallurgical Group Co., Ltd, Kunming 650502, China;3. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China;4. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the lab-made snake rolling mill, the effect of asymmetric boundary conditions on the mechanical properties and the microstructure ofAl-Cu-Mg alloy rolled plates were investigated by room-temperature tensile, Kahn tear and electron back scattering diffraction (EBSD) tests. The results indicate that choosing a proper boundary condition can significantly improve the fracture toughness while maintaining the strength property. With increasing the differential peripheral speed ratio, the strength of the snake rolled plates rises, but the elongation and the fracture toughness decreases at the same offset distance. And with increasing the offset distance, the strength decreases with the dramatically elongation and fracture toughness increases at the same speed ratio. Under the condition of the offset distance of 10 mm and the speed ratio of 1.1, the crack unit initiation energy (UIE) of the snake rolled plates increase by 14%~36%. It is due to the enhanced Cube texture and the weakened Brass texture of the Al-Cu-Mg alloy plates rolled by snake rolling compared with the conventional rolling, which means the better texture components with higher crack propagation resistance.

Al-Cu-Mg alloy; snake rolling; mechanical property; texture; crack propagation

(編輯 李艷紅)

Project(2017YFB0306301) supported by National Key R&D Program of China; Project(ZZYJKT2016-01) supported by the State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, China

2017-06-16;

2017-10-10

ZHANG Jin; Tel: +86-731-88876913; E-mail: zhangjin19861003@csu.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.10.06

1004-0609(2017)-10-2005-07

TG146.2

A

國家重點研究發(fā)展計劃重點專項項目(2017YFB0306301)；高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室自主課題(ZZYJKT2016-01)

2017-06-16；

2017-10-10

張 勁，講師，博士；電話：0731-88876913；E-mail: zhangjin19861003@csu.edu.cn