铝箔微观组织对其力学性能的影响

 刘楚明¹, 李 鹏¹, 樊玉庆², 蒋树农¹, 张新明¹

(1.中南大学 材料科学与工程学院, 湖南 长沙, 410083;

2.江苏大亚科技股份有限公司, 江苏 丹阳, 212300)

摘要: 采用拉伸实验和透射电子显微镜分析了铝箔微观组织对厚度为6~7 μm的铝箔力学性能的影响。 实验结果表明: 铝箔中化合物的形貌及析出位置较退火工艺对铝箔抗拉强度的影响更大, 处于晶界的块状化合物破坏了晶界的整体联系, 增加了铝箔微观组织的不均匀性; 提高铝箔强度时应尽量避免化合物在晶界处析出。 亚晶的尺寸与位错密度紧密相关, 亚晶尺寸小, 单位体积内亚晶界增加, 位错密度也随之增加。 铝箔具有较小的亚晶尺寸, 因而具有较高的抗拉强度。

关键词: 铝箔; 抗拉强度; 微观组织

中图分类号:TG146.2⁺1 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0780-04

Effect of microstructure on mechanical property of aluminum foil

LIU Chu-ming¹, LI Peng¹, FAN Yu-qing², JIANG Shu-nong¹, ZHANG Xin-ming¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Jiangsu Daya Stock Ltd. of Science and Technology, Danyang 212300, China)

Abstract: The effect of microstructure on the mechanical property of aluminum foil (6~7 μm in thickness) was investigated by means of tensile test and transmission electron microscopy. The results show that the morphology and position of compound have greater effects on the mechanical property of aluminum foil than the annealing process. The block-like compound on the grain boundaries will damage the integrity of grain boundaries and increase the microstructural inhomogeneity of aluminum foil, which is harmful to the mechanical property of aluminum foil. Therefore, it is necessary to prevent the compound from precipitating on the grain boundaries. There is a close relationship between the size of the subgrain and the density of dislocation, that is, the subgrain boundaries per unit and the density of dislocation increase with the decrease of the size of the subgrain. The aluminum foil with smaller subgrain would have a high tensile strength.

Key words: aluminum foil; tensile strength; microstructure

   由于铝箔的应用越来越广泛^[1], 对铝箔的抗拉强度和伸长率等力学性能的要求也相应地提高。 厚度为6~9 μm的工业纯铝铝箔广泛用作包装材料, 其中药品包装对铝箔力学性能提出更高的要求。 影响铝箔力学性能的因素很多, 如原料的化学成分、 第二相化合物的形态和尺寸分布以及织构等^[2-9]。 在此, 作者研究了铝箔微观组织对其力学性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料制备

试样用铝箔在实际生产中制取, 为了比较, 铝箔原料从3个厂家购入。 铝箔原料均为0.3 mm厚的1235工业纯铝板, 经4道次冷轧至厚度为6~7 μm。 箔材采用分级退火, 其中以原料A生产的铝箔的退火工艺为: 随炉升温至230 ℃, 保温2 h后, 降至190 ℃保温30 h, 随后出炉空冷; 以原料B和C生产的铝箔的退火工艺为: 随炉升温至240 ℃, 保温4 h后, 降至200 ℃保温40 h, 出炉空冷。 退火态铝箔即为实验用铝箔, 试样编号对应原料分别为A, B和C。

1.2 分析方法

用ADAMEL LHDMARGY铝箔拉伸机做拉伸实验, 拉伸速率为5 mm/min, 试样宽度为5 mm。 透射电镜样品用双喷电解减薄法制取。 双喷标准试样直径为3 mm, 厚度为0.1 mm。 由于铝箔厚度小于0.1 mm, 因此, 直接在铝箔上冲孔制取, 通过双喷电解穿孔。 双喷电解液为硝酸甲醇溶液, V(HNO₃)∶V(CH₃OH)=1∶2, 电解液温度为-20 ℃, 电解电流为50~70 mA, 时间为15~25 s。 喷好的试样用JEOL 100CXII透射电子显微镜(TEM)作微观组织分析。

2 实验结果及分析

2.1 拉伸实验

3种铝箔拉伸实验结果如表1所示。

表 1   拉伸实验数据

Table 1   Data of tensile experiment

由表1可知, 试样C的抗拉强度最高, 而试样A的最低。

2.2 TEM分析

图1所示为3种铝箔退火态的TEM照片。 由图1(a)和1(b)可知, 试样A经低温退火后, 铝箔中平直晶界和三角晶界很少, 晶界在质点的钉扎作用下变得弯曲, 有黑色条状化合物处于晶界处, 亚晶尺寸差别大, 亚晶界较宽, 由此可知试样A的微观组织为回复组织。 由图1(c)和(d)可知, 试样B经低温退火后组织中平直晶界很少, 多数晶界在细小析出物的钉扎作用下变得弯曲宽化, 亚晶内位错较少, 位错主要集中在亚晶界上, 位错运动形成大量的小台阶, 具有一定变形纤维组织。 铝箔中未发现再结晶晶粒, 为回复组织。 由图1(e)和(f)可知, 试样C中存在很少量的再结晶晶粒, 再结晶晶粒尺寸较小, 位错运动形成大量的小台阶, 亚晶内位错很少, 位错多集中于晶界, 晶界较宽, 微观组织以回复组织为主。

比较3种铝箔退火后的微观组织可知, 3种铝箔退火后均以回复组织为主, 亚晶内位错很少, 位错多集中于亚晶界处, 晶界在细小析出物的钉扎作[CM(22] 用下变得弯曲。 比较3种铝箔亚晶晶粒的尺寸可知, 试样C较试样B的亚晶尺寸略小, 试样A中亚晶尺寸分布不均。 在试样B和C中未发现较大化合物相, 而试样A中的晶界处存在条状化合物。

图 13种铝箔退火态TEM照片

Fig. 1   TEM images of three kinds of aluminum foils after annealing

图2所示为图1(a)中黑色块体化合物的电子衍射花样, 是典型的六角点列, 衍射斑点呈六次对称分布。 由斑点的对称性和所属晶系的关系可知它可能是六方晶系产生的, 也可能是三方或立方晶系产生的。

图 2   第二相化合物衍射斑

Fig. 2   Diffraction spot of second-phase

工业纯铝中主要的Fe-Si-Al相为α(FeSiAl)相和β(FeSiAl)相^[10-13], 其中仅有α(AlFeSi)相中有简单六方和体心立方结构, 因此, 初步确定该化合物为α(AlFeSi)相。 根据化合物衍射斑可计算出晶面间距为99 nm, 这与据已知的α(FeSiAl)相的简单六方晶格常数计算出的α(Fe₂SiAl₈){100}面间距(99.3 nm)相同, 因此, 可确定黑色块状化合物为α(Fe₂SiAl₈)相。

3 讨 论

由TEM分析可知3种铝箔均为回复组织, 但抗拉强度有一定差异, 试样A的抗拉强度在3种铝箔中最低。 第二相化合物分布的位置对铝箔力学性能的影响很大, 由于第二相化合物存在于晶界, 割裂了晶粒之间的连续性, 导致晶粒之间的结合强度迅速下降, 尤其当化合物的尺寸接近铝箔厚度时, 化合物极易穿透铝箔, 这种穿透性伤害严重影响铝箔的力学性能。 块体材料中晶粒呈三维排布, 每个晶粒周围的晶粒较多, 变形时受到的约束也多, 因此, 少量化合物存在于晶界对材料力学性能的影响较小。 而铝箔的晶粒呈二维排布^{[2, 14, 15]}, 每个晶粒近邻的晶粒较少, 且铝箔中晶界基本为平面网状分布, 即使很少量的化合物处于晶界处也会破坏晶界的整体联系, 破坏铝箔整体的完整性, 处于晶界处的化合物均可成为使铝箔发生断裂的裂纹源所在地, 因此, 应尽量避免化合物在晶界处析出。 试样A退火温度低于试样B和C的退火温度, 退火时间也较短。 用退火温度、 时间与材料强度的关系分析, 试样A的强度应高于试样B和C的强度, 但实验结果恰恰相反, 这表明化合物的形貌及析出位置较退火工艺对铝箔抗拉强度的影响更大。

在试样B和C中尚未观察到化合物存在于晶界的现象, 但这2种铝箔的抗拉强度仍有区别, 这说明这2种铝箔回复组织中的细微差别对铝箔的力学性能也有一定影响。 由图1可知, 试样C中亚晶尺寸略小于试样B中亚晶尺寸, 亚晶尺寸小, 单位体积内晶界增加, 位错密度也随之增加, 铝箔的抗拉强度提高。 试样C中有很少量的再结晶晶粒, 而试样B中未发现再结晶晶粒, 理论上, 试样C的强度应低于B的强度, 而实际情况相反。 其原因是2种铝箔原料的变形程度不同, 经同一轧制工艺加工后微观组织会有一定差别。 不同原料轧制出的铝箔累计总变形量不同, 因此, 轧制程度高的铝箔中少数变形量很大, 储能很高的晶粒在低温退火制度下发生了再结晶, 但这些再结晶晶粒数量很少, 不足以使铝箔软化, 其退火后的显微组织仍以回复组织为主。 轧制程度低的铝箔中晶粒的储能未达到一定值, 在相同退火温度退火后未发生再结晶, 但退火后软化程度要高于变形量大的铝箔, 因此, 退火后试样C的抗拉强度比试样B的高。

4 结 论

a. 化合物的形貌及析出位置较退火工艺对铝箔抗拉强度影响更大, 处于晶界的块状化合物破坏了晶界的整体联系, 增加了铝箔微观组织的不均匀性, 提高铝箔强度时应尽量避免化合物在晶界处析出。

b. 亚晶的尺寸与位错密度紧密相关, 若铝箔亚晶的尺寸较小, 则其抗拉强度较高。

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收稿日期:2004-11-20

基金项目:国家“973”重点基础研究发展规划项目(G1999064908)

作者简介: 刘楚明(1960-), 男, 湖南张家界人, 教授, 从事高性能有色金属材料加工工艺与微观组织及性能相关性研究

论文联系人: 刘楚明, 男, 教授; 电话: 0731-8830257(O); E-mail: CMLiu@mail.csu.edu.cn