简介概要

电场退火对3104铝合金板显微组织与再结晶织构的影响

来源期刊：中国有色金属学报2004年第8期

论文作者：胡卓超赵骧左良王福 C. ESLING

文章页码：1366 - 1371

关键词：电场; 3104铝合金板; 显微组织; 再结晶织构; 第二相粒子

Key words：electric field annealing; 3104 aluminum alloy; recrystallization texture; precipitation

摘要：利用三维取向分布函数（ODF）和透射电镜（TEM）等方法研究了电场退火对冷轧3104铝合金板材再结晶、第二相粒子和再结晶织构的影响。结果表明：电场退火具有抑制铝合金板再结晶形核和长大的作用，但并未改变其再结晶形成机制；促进了第二相粒子MnAl₆长大；有利于提高立方织构（{001}〈100〉）的强度，同时降低了某些轧制织构的强度。根据Gibbs-Thomson理论，探讨了电场退火时3104铝合金板再结晶及立方织构形成机制。

Abstract: The effects of electric field on microstructure, precipitation and recrystallization texture of cold rolled 3104 aluminum alloy sheets were investigated by X-ray-ODF analysis combined with TEM morphology. The cold rolled 3104 aluminum alloy sheets were treated at different temperatures for 90min with conventional annealing and electric field annealing, respectively. The result shows that the electric field annealing retards the recovery and recrystallization processes, reduces the mean grain size, and increases the size of MnAl₆ and enhances cube texture. According to Gibbs-Thomson’s theory, such effects are attributed to the fact that the electric field decreases the driving force of recrystallization, and then hinders the nucleation and grain-growth. As the S oriented grains have relatively high storage energy, they have strong preference to recrystallization. As a result, the cube texture is enhanced.

中国有色金属学报 2004,(08),1366-1371 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.08.019

电场退火对3104铝合金板显微组织与再结晶织构的影响

胡卓超赵骧左良王福 C.Esling

东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,Letam, CNRS-UMR 7078, University of Metz, Ile du Saulcy, Metz 57045, France 沈阳 1 1 0 0 0 4 Letam, CNRS-UMR 7078, University of Metz, Ile du Saulcy, Metz 57045, France ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004

摘要：

利用三维取向分布函数(ODF)和透射电镜(TEM)等方法研究了电场退火对冷轧3104铝合金板材再结晶、第二相粒子和再结晶织构的影响。结果表明:电场退火具有抑制铝合金板再结晶形核和长大的作用,但并未改变其再结晶形成机制;促进了第二相粒子MnAl6长大;有利于提高立方织构({001}〈100〉)的强度,同时降低了某些轧制织构的强度。根据Gibbs Thomson理论,探讨了电场退火时3104铝合金板再结晶及立方织构形成机制。

关键词：

电场;3104铝合金板;显微组织;再结晶织构;第二相粒子;

中图分类号： TG156

作者简介：胡卓超(1976),男,博士研究生.;王　福,教授;电话:02483684032(H);02483670655(O);E mail:wangfu＿neu@sina.com;

收稿日期：2003-12-02

基金：国家重点基础研究发展规划项目(G1999064908);教育部科研重大项目资助(0208);

Effects of electric field annealing on microstructure and recrystallization texture of 3104 aluminum alloy sheets

Abstract：

The effects of electric field on microstructure, precipitation and recrystallization texture of cold rolled 3104 aluminum alloy sheets were investigated by X-ray-ODF analysis combined with TEM morphology. The cold rolled 3104 aluminum alloy sheets were treated at different temperatures for 90 min with conventional annealing and electric field annealing, respectively. The result shows that the electric field annealing retards the recovery and recrystallization processes, reduces the mean grain size, and increases the size of MnAl₆ and enhances cube texture. According to Gibbs-Thomsons theory, such effects are attributed to the fact that the electric field decreases the driving force of recrystallization, and then hinders the nucleation and grain-growth. As the S oriented grains have relatively high storage energy, they have strong preference to recrystallization. As a result, the cube texture is enhanced.

Keyword：

electric field annealing; 3104 aluminum alloy; recrystallization texture; precipitation;

Received： 2003-12-02

近年来, 随着电致迁移及电致塑性现象的发现, 电场在改善金属的组织和性能方面受到重视并得到实际应用。前人的研究结果表明, 电场可影响纯铝和纯铜的回复与再结晶 ^[1] , 提高02钢和4340钢的淬透性 ^[2,3,4] 等, 并认为造成电致迁移及电致塑性现象的原因与电场对材料内部晶体缺陷(空位、位错和晶界等)的交互作用有关。再结晶织构的产生是各种取向的晶核在形成和长大过程中相互竞争的结果, 电场势必对其产生重要的影响。本文作者前期的研究也发现电场退火可改变08Al 深冲钢板的再结晶织构, 且有利于提高其深冲性能 ^[5,6] 。但关于电场作用下铝合金板材再结晶织构形成与演变及电场作用下第二相粒子的析出行为的研究却寥寥无几 ^[7] 。人们普遍要求3×××系铝合金板材具有良好的冲压成形性和较低的制耳率 ^[8,9] , 而影响冲压成形性和制耳率的最关键因素则是织构。本文作者以3104铝合金为对象, 研究了在不同温度下电场退火对3104铝合金再结晶和第二相粒子析出及再结晶织构的影响, 希望以此加深对再结晶织构形成机制的理解, 进一步通过电场退火调控3104铝合金板的再结晶织构。

1 实验

采用西南铝业公司提供的3104铝合金热轧成品料, 板厚2.3 mm, 化学成分(质量分数, %)为: Mn 1.0、 Mg 1.28、 Cu 0.22、 Fe 0.36、 Si 0.19, 余量为铝。首先将此板材沿热轧方向进行压下量为90%冷轧。然后从冷轧板沿轧向截取尺寸50 mm×20 mm×0.23 mm的样品, 分别对其进行非电场和电场退火。退火工艺如下: 以10 ℃/min的速度分别加热到200、 300、 400和500 ℃, 保温90 min, 随后出炉空冷。电场退火时, 电场强度设定为4 kV/cm, 通以氮气保护。不锈钢电极板与高压直流电源负极相连, 样品与电源正极相连, 负极与正极相距10 mm, 电压为4 kV。电场热处理装置如图1所示。

图1 电场热处理装置示意图 Fig.1 Schematic of electric field treatment set

织构测定在东北大学测试中心D/max-ⅢA型X射线衍射仪上完成。按Schulz反射法进行, 测定时采用Co K_α辐射。为了增加被照射面积而获得更好的统计性, 测试中使样品作平动, 管电压为35 kV, 管电流为20 mA, 发散狭缝DS为2°, 并加2 mm限高光栅, 防散射狭缝SS为5 mm, 接收狭缝RS为5 mm, 测量{111}、 {200}和{220}3张不完整极图。扫测按同心圆步进方式进行, α由0°~70°, β由0°~360°, Δα=Δβ=5°。数据采集由计算机完成。 ODF分析采用东北大学织构研究室系统分析软件 ^[10] 按‘二步法’进行, 结果用恒ψ-ODF截面图表示。样品在HAV-5型低负荷显微硬度计上进行显微硬度(HV)测试。

透射电镜样品取板材与电极相对侧, 先机械减薄至100 μm左右, 然后进行双喷式电解减薄, 在Philips-EM400透射电镜下对其形貌进行观察。

2 实验结果

2.1 显微组织观察

图2所示为200 ℃非电场退火与电场退火后样品的TEM观察。由图2(a)(E=0)可见, 在200 ℃退火时, 非电场退火样品的多边化亚晶区域较多(黑色箭头所示), 且仍然存在着大量的胞状组织, 亚晶晶核正处于产生的初级阶段。而由图2(b)(E=4 kV/cm)可见, 在200 ℃电场退火时, 样品的亚

图2 200 ℃非电场退火与电场退火样品的显微组织 Fig.2 Microstructures of sample with conventional annealing and electric field annealing at 200 ℃ for 90 min (a)—E=0; (b)—E=4 kV/cm

晶晶核尺寸和数量明显小于200 ℃非电场退火样品的亚晶, 且在样品中依然存在大量与冷轧态组织相似的条状纤维组织(黑色箭头所示)。这表明电场抑制了亚晶的产生和合并长大, 并因此影响了再结晶形核。

当退火温度达到300 ℃, 时间为90 min时, 非电场退火和电场退火样品的再结晶均已结束, 并进入了晶粒长大阶段, 随着温度的升高, 再结晶晶粒的尺寸也逐渐增大, 但是非电场退火与电场退火样品的晶粒尺寸仍有差别。图3所示为300 ℃至500 ℃退火后样品平均晶粒尺寸分布的图像分析结果。由图3可见, 在非电场退火与电场退火下, 再结晶晶粒尺寸均随着退火温度增加而增大, 但电场退火样品的晶粒尺寸始终小于相同条件下非电场退火样品的晶粒尺寸; 随着退火温度的进一步升高(达到500 ℃), 其中电场退火样品的晶粒尺寸仍然略小于非电场退火样品的晶粒尺寸, 但差距很小。图4所示为对不同退火温度下3104铝合金样品的显微硬度随退火温度的变化规律。由图4可明显看出, 在不同温度下非电场与电场退火90 min样品的显微硬度值随着退火温度增加而降低, 但电场退火样品的硬度值要高于相应的非电场退火样品的硬度值。由此可见, 电场对3104铝合金的再结晶过程有抑制作用。

图3 平均晶粒尺寸随退火温度的变化 Fig.3 Variation of mean grain size with annealing temperature

2.2 第二相粒子的析出

由图5可以看出, 显微组织中分布着许多析出的第二相粒子。通过扫描电镜的能谱分析可知, 这些析出相主要是MnAl₆。无论是非电场退火、还是电场退火, 析出相MnAl₆均呈多边形、长方形或方形。通过对300个析出相粒子的尺寸进行测量, 发

图4 显微硬度随退火温度的变化 Fig.4 Variation of microhardness with annealing temperature

图5 TEM观察500 ℃非电场退火和电场退火下析出相的变化 Fig.5 Precipitation of 3104 Al alloy sample with conventional annealing and electric field annealing at 500 ℃ for 90 min (a)—E=0; (b)—E=4 kV/cm

现在500 ℃非电场退火时, 析出相粒子的平均尺寸为0.28 μm, 而在相同的条件下电场退火的样品中MnAl₆析出相的平均尺寸则为0.46 μm。实验结果表明电场有利于第二相粒子MnAl₆的长大。

2.3 织构的演变

样品中各主要织构组分: Cube织构、 Copper织构、 Brass织构、 S织构, 取向密度随温度的变化如图6所示。在200 ℃时, 因处于回复阶段, 无论非电场退火, 还是电场退火, 再结晶织构均未出现, 仍为典型的冷轧织构。当退火温度升高至300 ℃时, 从图上可以看出, 样品中除具有一定的 S{123}〈634〉, Copper{112}〈111〉和Brass{110}〈112〉冷轧织构外, 还出现了一定的再结晶Cube{001}〈100〉组分(取向密度为3.2)(见图7(a))。而且Cube织构取向密度随着退火温度的增加而增加, 尤其是电场退火, 在500 ℃时达到最大强度, 取向密度为5.8 (图7) , 且电场退火样品的Cube织构取向密度始终大于非电场退火样品的Cube织构。而样品其他织构组分均随着退火温度的增加而减小, 在低温区(200~300 ℃)减小幅度极大, 当退火温度高于350 ℃, 这种减小的趋势反而不明显。除Copper织构外, 电场退火样品的Brass织构和S织构强度始终低于非电场退火样品的Brass织构、 S织构强度。

3 分析与讨论

近年来人们对电场对再结晶的影响作了一些研究, 一般认为再结晶驱动力来源于形变储能, 并主要以微观缺陷(诸如空位、位错、亚晶界和晶界等)形式表现出来。在再结晶过程中, 无畸变再结晶晶粒的形成与长大, 晶界迁移取决于晶界两侧的能量差与晶界能, 即具有这两个优势的亚晶(或晶粒)将优先形成再结晶晶核。根据Gibbs-Thomson理论 ^[11] , 晶核长大的临界半径为

R_c=2r/P_d (1)

式中 r为各种取向亚晶的平均晶界能, P_d为再结晶驱动力。当一亚晶尺寸大于临界半径R_c时, 它将成为再结晶晶核。

图6 非电场退火与电场退火主要织构组分取向密度值w(g) Fig.6 Orientation intensities w(g) of several main texture components of conventional annealing and electric field annealing (a)—Cube texture; (b)—Copper texture; (c)—Brass texture; (d)—S texture

图7 500 ℃非电场退火与电场退火样品的恒Ψ-ODF截面图 Fig.7 Constant Ψ ODF sections of specimens with conventional and electric field annealing at 500 ℃ (a)—E=0; (b)—E=4 kV/cm

金属电子理论认为, 空位具有负电性。晶格缺陷能实质上是由于负电荷的屏蔽效应引起的静电能 ^[12] 。这种屏蔽作用越大, 缺陷具有的能量也越大, 各种晶格缺陷, 特别是位错及位错缠结区和晶界等相当于空位密集区。在电场退火实验中, 由于样品作为正极, 电场具有削弱屏蔽效应的作用, 从而降低静电能, 降低晶格缺陷能, 进而降低再结晶驱动力, 导致式(1)决定的晶核长大的临界半径增大, 即电场退火下样品发生再结晶所需的临界形核半径要比非电场退火时大。这就是说, 电场退火要比非电场退火需要更高的温度或更长的时间才能达到临界再结晶晶核尺寸, 所以再结晶被抑制。从而说明, 电场阻碍了3104铝合金板再结晶的进行。

一般认为, 溶质原子在晶粒内与晶界中产生的畸变能量是析出相偏聚的驱动力之一 ^[13] 。在常规退火过程中, 外部环境(温度场)通过能量起伏提供析出相偏聚的另外一部分驱动力, 导致析出相的析出与长大。在电场退火实验中, 当样品做正极时, 由于溶质原子、空位、位错的存在, 使得样品内部产生无数微小的电场。由元素的电化学因素 ^[13] 分析可知, 锰元素在金属中带正电性, 在电场作用下锰原子向负电性大的区域运动, 从而更有利于完成第二相粒子在缺陷能低的区域中聚积、长大与析出。因此, 电场能够促进MnAl₆的析出相尺寸变大。

再结晶织构的形成和发展是各种取向晶核在生长中的竞争过程, 完全再结晶时的织构是初始长大晶核含量与生长速度竞争的综合结果。大量研究表明, 铝合金再结晶立方织构形成的初期为立方取向亚晶的直接长大。因为S{123}〈634〉取向亚晶较一般取向的亚晶有高的平均储能 ^[14] , 同时立方晶粒与S取向基体具有较好的38.21°〈111〉取向关系(∑7重位晶界)。人们通常认为∑晶界较一般晶界具有较低的界面能 ^[10] 。由于立方取向亚晶在尺寸和能量两方面具有优势, 故再结晶初期立方取向晶核具有较高的形核率, 从而产生强的立方织构。 Duggan和Lee ^[15] 也观察到了再结晶初期立方晶核主要向S取向基体生长, 而很少向Copper, Brass和Goss取向基体生长。由于再结晶初期立方取向晶核尺寸的增大, 在其长大过程中, 立方取向的晶核仍保持生长上的优势, 从而导致形成强的再结晶立方织构。织构测试结果表明, 电场退火并未改变3104铝合金再结晶织构的形成机制, 其再结晶织构仍为立方织构。电场增强再结晶立方织构的原因在于, 由于电场降低了晶界能, 抑制了其它取向亚晶的聚合, 相应地提高了立方取向晶核的形核率; 另外, 尽管电场降低了形变储能, 也就是降低了立方取向晶核与其它晶核的生长速度差, 但由于立方取向晶核在尺寸和能量上的优势, 使其相对于其它取向的晶核仍具有较高的生长速度, 从而导致电场退火样品中的再结晶立方织构强度高于非电场退火样品中的再结晶立方织构强度。

前人的工作表明 ^[16] , 第二相粒子的存在影响了再结晶退火时晶界的迁移, 从而对再结晶的过程产生一定的影响作用。虽有研究表明 ^[13] , 在铝基合金中, 当第二相粒子平均尺寸较小(d≤0.3 μm), 对基体的再结晶有阻碍作用; 反之, 当第二相粒子平均尺寸较粗大(d≥0.3 μm), 则起促进作用。本研究表明, 电场一方面增加了晶内和晶界上析出相粒子的尺寸, 但另一方面却抑制了再结晶的进行。这主要是由于, 在再结晶初期, 第二相粒子尺寸较小, 所以对再结晶起抑制作用, 同时由于电场也对再结晶具有一定的抑制作用, 所以再结晶被明显推迟; 而随着温度的提高, 再结晶继续进行, 第二相粒子尺寸逐渐增大, 第二相粒子对再结晶过程的影响逐渐向促进方面发展。在此时电场有两个明显的作用, 一方面依然影响形变储能, 抑制再结晶; 另一方面, 却促进第二相粒子长大, 而长大的第二相粒子促进了再结晶。但从本实验结果发现, 在晶粒长大阶段, 电场依然对再结晶具有一定程度抑制作用, 但此时的抑制作用明显弱于再结晶形核阶段的抑制作用。这一方面的研究将在以后进行更加深入的研究。