铸轧3003铝合金组织均匀性调控及机理研究

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3003铝合金是以Mn为主要合金元素的非热处理强化型铝合金,具有适当的强度、良好的耐蚀性以及焊接性能等优点而得到广泛应用。铸轧法由于具有投资小、效率高等特点近年来被广泛应用于生产铝合金板材毛坯,但铸轧法生产板材毛坯时铸锭冷却速度快、表面与中心层冷速不同,且Mn元素扩散系数小,由此导致3003铝合金毛坯中Mn元素过饱和,最终由这些毛坯获得的冷轧板材在后续热处理过程中形成粗大晶粒组织和晶粒尺寸差异大的非均匀组织,显著恶化了材料的力学使用性能。基于此,本文主要探讨了均匀化工艺和再结晶退火工艺对3003板材成形性和力学性能的影响机制。主要的研究内容和结论如下:(1)利用扫描电子显微镜结合背散射电子衍射技术分析了均匀化退火工艺对第二相析出行为影响。研究结果表明均匀化退火过程中第二相的演变主要由形核、长大、Ostwald熟化和异质析出四个过程控制。具体表现为:当均匀化温度低于500℃时,这个温度区间主要以沉淀形核为主;当均匀化温度高于500℃时,以长大、Ostwald熟化效应为主;在进行双级均匀化处理的低温退火阶段,析出以异质形核为主。研究还发现当均匀化温度高于400℃时,在板材的心部主要析出正交晶系的Al6Mn针状沉淀相,该相析出形核过程会消耗大量固溶Mn元素,导致针状相附近出现无析出带(PFZ区)。(2)通过相同的冷轧工艺并进行不同温度的再结晶退火处理,研究了不同均匀化退火初始组织状态和再结晶退火工艺对再结晶行为的影响。研究结果表明:第二相的数量和尺寸会对再结晶组织和织构产生影响。由于均匀化过程或者再结晶退火过程中产生的细小沉淀相的作用,原始样、400℃和450℃预处理冷轧板在470℃下退火后具有粗大拉长的再结晶晶粒和较强的再结晶织构;500℃、550℃和600℃预处理冷轧材退火后具有细小的再结晶晶粒和较弱的再结晶织构,可归咎于均匀化过程中产生的粗大第二相诱发形核(PSN)的作用,且粗大第二相密度与再结晶平均晶粒尺寸存在负相关关系:y=75.09-30.04x+4.08x2。(3)基于不同均匀化处理导致冷轧板退火后再结晶织构类型的不同,深入分析了再结晶织构的形成原因。研究结果表明:再结晶退火组织中主要含有M、P、Cube和Cube ND取向的晶粒,且M、Cube ND取向的晶粒在表层和心部的分布情况并不相同,M取向的晶粒多分布于心部,Cube ND取向的晶粒多分布于表层。此外,形核尺寸优势对3003铝合金板材最终再结晶织构强度和再结晶晶粒尺寸有较大的影响。研究发现在600℃预处理板材退火过程中Cube ND和Cube取向晶核在形核阶段过程中具有形核尺寸优势,最终使得退火完成后获得较大的晶粒尺寸和较强的Cube和Cube ND再结晶织构。而M和P取向晶粒在形核阶段不具备形核尺寸优势,使得在退火过程中逐渐被其他取向晶粒吞食,最终退火完成后M和P取向再结晶织构减弱。
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