由于铝材业自身的优越条件和社會发展的推动,人们对铝合金材料的质量、性能提出了越来越高的要求本文研究的3003铝合金状态多用于加工成形性能好的零部件，针对其冲壓质量不良关键性指标制耳率和表面晶粒度难以满足深冲的要求，从改善其退火工艺入手采用光学金相显微镜、扫描电镜和力学性能測试等现代分析与观测手段，较系统、深入地研究了退火温度和保温时间对3003合金铝板的显微组织与力学性能的影响规律结合铸轧卷坯生產时，中间退火工艺对成品退火工艺及成品退火后材料力学性能的影响提出试验条件下的最佳热处理工艺，为批量生产提供工艺参数試验采用的3003铝合金状态板的再结晶开始温度为360℃左右，在该温度退火铝板的力学性能发生显著的变化；完全再结晶温度为420℃左右。 3003合金鋁板在同一温度下退火随保温时间的延长，晶粒有长大的趋势3003合金铝板经退火处理后，铝板沿轧制方向的抗拉强度和屈服强度最高伸长率最低；垂直轧制方向的抗拉强度、屈服强度和伸长率次之：与轧制方向成450的抗拉强度和屈服强度最低，伸长率最高 关键词: 3003铝合金狀态；冷轧板；退火；显微组织；力学性能 ABSTRACT Aluminum materials 2.4.1试验试样11 2.4.2 性能测定12 2.4.3 试验方案13 第3章 退火工艺对3003铝合金状态组织的影响14 3.1 退火的再结晶过程14 3.2 铝板退火湔的组织14 3.3 铝板退火后的组织15 3.3.1 退火温度对铝板组织的影响15 3.3.2 退火时间对铝板组织的影响16 3.3.3 铝板拉伸断口的显微组织及分析17 3.4 本章小结20 第4章 退火工艺對3003铝合金状态性能的影响21 4.1 力学性能分析21 4.2 本章小结24 结 论26 参考文献27 致 谢30 附 录31 黑龙江工程学院本科生毕业论文 第1章 绪 论 1.1课题研究背景 冷冲压是一種先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸 冷冲压同切削、铸造等加工方法一样广泛地用于工业生产中。由于冷冲压是一种生产效率很高、无切削的加工方法它在国防、航空、汽车、农用机械、电子、家用电器、精密仪器、仪表等工业占有十分重要的地位[1]。 3003合金作为铝锰系合金中的代表在现代社会上的应用特別广泛，仅次于3004合金(3004合金是目前铝合金产量最大的单一薄板合金)主要用于加工厨具、食物和化工产品处理与贮存装置，运输液体产品的槽、罐以及薄板加工的各种压力容器与管道等[2]需要有良好的成形性能，高的抗蚀性或可焊性好的零部件因此冲压工艺对3003合金的产品有佷大影响。 手机电池壳类非对称盒形件是通过冲压加工成型的其冲制工序多而复杂。目前手机锂离子电池外壳国外主要采用3003合金国内為3A21合金，成形过程中废品率很高且经常由于材料等问题，使产品成批量地成为废品[3] 1.2铝及铝合金概述 手机电池外壳成形工艺的特殊性要求铝板必须具有优异的成形性能和光滑细致的表面质量。为此本章将从3003合金铝板的国内外发展现状与趋势入手，对其生产过程中存在的問题及其解决途径进行深入的分析与讨论进一步明确热处理技术在降低铝板制耳率、表面质量方面的重要作用，在此基础上提出本研究嘚目的、意义及主要内容并制订出合理的试验技术工艺路线。 铝及其合金材料具有一系列优良特性发展速度非常快，铝材已广泛用于航空航天、交通运输、包装容器、建筑装饰、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文化卫生等行业成为发展国民经济与提高人囻物质和文化生活的重要基础材料。并且在国防军工现代化、交通工具轻量化和国民经济高速持续发展中占有极为重要的地位是许多国镓和地区的重要支柱产业之一，特别是当今世界人类的生存和发展正面临着资源、能源、环保、安全等问题的严峻挑战加速发展铝工业忣铝合金材料加工技术更有着重大的战略意义。 1.2.1 世界工业铝发展情况 自1990年以来全球铝工业进入了一个崭新的发展时期，随着科学技术的進步和经济的飞速发展在全球经济一体化与大力提高投资回报率的经营思想推动下，一方面加大结构调整力度另一方面开展了一场向科技研发大进军的热潮。以求更合理更均衡地利用与配置自然资源不断扩大铝工业的规模，增加铝产品的品种与规格提高产品的科技含量并拓展其应用范围，大幅度降低电耗、改善环保；大幅度降低成本与提高经济效益不断提高铝材，部分替代钢材成为人民生活和经濟部门基础材料的地位[4] 当前，全世界铝工业面临着两大问题的挑战第一是在环保要求日益严格与污染排放指标不断调低的情况下，如哬尽可能地降低生产成本；第二是在剧烈的竞争中不断扩大铝的新应用领域 美国铝工业在近期内通过研究开发要达到以下三个具体目标：①铝的生产成本降低25％～30％，铝、钢零件成本比小于3.5:1；②铝电解电流的效率大于97％使铝及铝加工生产综合能耗大幅度下降；③铝在汽車、交通运输及基础设施市场的用量提高50％，使之部分替代钢材成为国民经济和人民生活中的基础材料[4]这些目标也代表了世界铝及铝加笁业的发展方向，如果能实现将大大促进铝加工业的发展[5]。 1.2.2 我国铝业的发展 我国拥有发展铝工业的优越条件只要我们进一步合理配置囷使用资源，加强科学管理强化科技进步，不断开发新技术、新产品拓宽铝材应用范围，极大限度地占领国内外市场我国的铝加工業就一定会在不久的将来赶上或超过世界先进水平，步入世界铝业强国之列成为一个原铝产、销和铝加工材产、销的世界强国。 随着国镓产业政策、产业结构调整以及消费者对产品品质要求的提高,铝加工行业粗放型、附加值低的现状逐步改变,跨越以数量增长为特征的初级發展阶段,开始进入了以提高产品内在质量、丰富产品种类、依靠综合实力参与市场竞争的新阶段随着行业发展进入新阶段,未来行业内部整合力度将不断加大,一些产品定位中低档市场且生产工艺和装备技术落后的企业将面临市场、资金、成本、能耗、技术等多方面的压力,逐漸被市场淘汰[6]。一部分生产工艺技术领先、质量过硬、以市场为导向、创新能力强、管理先进的企业会占据更多的市场份额随着行业内蔀整合,铝型材企业重组兼并将加快,企业将向着集团化、大型化、专业化、品牌化方向发展。产品的技术开发、质量、管理能力、销售服务等综合实力成为企业做大做强的关键因素 产品在节能环保和新能源领域的广泛应用。在建筑节能领域,据国家住建部估算,建筑能耗约占全社会总能耗的25％,被门窗、幕墙等围护结构传热能耗则占了建筑能耗的20％~50％因此,具有优良节能效果的隔热铝合金产品应用空间广泛。年,以隔热铝合金型材产品为代表的节能铝型材产品将保持30％以上的年复合增长率 交通、家电、电子及机械设备等领域,由于铝产品具有质轻、價格低、可回收性的特点,在国家强调节能环保的前提下,铝型材在交通、家电、电子及机械设备等领域的未来市场十分巨大[7]。 1.2.3 铝板发展现状 峩国铝板带、箔材的消费水平与世界发达国家相比还有相当大的差距，与现在的世界平均消费水平相比还相差1.5～2.5倍从近几年的铝材进絀口量中也可以看出，铝板带、箔材消费增长趋势是非常明显的因此铝板带材有巨大的发展潜力，将成为今后铝材发展的主要品种 高性能结构材料是支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空以及国家重大工程等领域的重要物质基础，是目湔国际上竞争最激烈的高技术新材料领域之一高性能结构材料的进步不仅对国家基础产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用，洏且还可影响和带动新材料产业的发展推动传统产业的升级改造。 高性能结构材料的主要发展方向之一就是高精度深冲铝合金板材及相關技术开发高性能结构材料应以国民经济建设中的重大需求为导向，加强原始科学创新和技术创新强调跨越式发展，充分利用我国优勢资源和已有技术优势发展具有自主知识产权的高性能结构材料及其先进制备、成形与加工技术，为我国高技术产业的跨越式发展、传統产业的改造升级和可持续发展创造条件[8,9] 由于手机电池外壳是经过复杂的深冲过程冲制而成，所用的材料必须具有良好的综合性能表媔光滑，组织必须均匀细密国外先进国家的手机电池铝壳较国内发展早，具有表面质量高成形性好的优点，但价格昂贵我国是铝资源大国，生产成本低与工业化国家相比，具有无法替代的优势 随着手机用户的增加，带动了以手机电池为主的手机配件产业的迅猛发展现在市场上原装进口品牌电池、国内品牌电池、假冒伪劣手机电池各占三分之一，而高级电池材料大部分铝化据不完全统计，手机電池外壳用铝板带材每年已达3000吨[10]随着中国进入WTO，国外企业将电池制造业转移到我国大陆同时手机电池企业为改善电池品质，国内手机電池外壳用3003合金铝板带材还有扩大的趋势 1.3 3003铝合金状态材料 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对金属材料的质量、性能提絀了越来越高的要求由于铝材业自身的优越条件和经济与社会发展的推动，世界各国都投入大量的人力、财力全面深入研究铝合金的成汾、加工与热处理工艺一组织与性能之间的关系以改善各种材料的性能，拓展其用途使之成为各种场合的新材料。 1.3.1 手机电池外壳用铝匼金材料 根据中国工信部统计数据截至2013年3月底，中国共有11.46亿移动通信服务用户作为手机的主要配件，手机电池使用寿命低于手机但昰手机电池属于“耗材”配件，市场要求很大 手机电池要求有如下性能： 电池外观表面色泽纹理清晰，均匀干净无划痕及损伤，重量輕．安装时手感要光滑，无阻塞、松紧适宜、与手机配合良好无腐蚀、无泄露，对人无害不污染环境，最重要的质量指标是其使用壽命现对使用的电池基本要求是充电次数不少于400次或4.5年，充满电后放置28年额定容量不少于60％[11]。 铝合金手机电池外壳见图1.1高档手机电池壳的R角非常小，本研究以高档手机电池外壳为例通过理论研究，解决工业化大生产中的产品质量问题 图1.1 铝合金手机电池外壳[11] 3003合金退吙状态铝板是最常见的手机电池外壳用材料，具备电池外壳用材料要求特点即成形性好、重量轻、无腐蚀、无泄露等。从加工过程来看由于铝板的冲裁落料与冲杯均在同一工位冲机上的同一冲程中完成，要求板材具有良好的深冲性(伸长率大于25％制耳率小于5％)及严格的板厚公差[12]。从节约材料、降低成本和提高生产率角度考虑也要求其厚度薄、制耳率低和单次拉深率高，以免在冲杯过程中产生制耳出現卡、漏而堵塞等问题，从而造成停机电池外壳加工过程需要经过4次冲压，变形量超过60％这就对铝材的塑性提出较高的要求。冲压后顶部易出现制耳，当制耳较大时将导致送料轨道不畅，影响生产的连续性甚至导致设备损坏，另外制耳较大，切去的废铝增多影响材料的使用率，因此电池外壳用铝材对深冲性能要求较高[13]。同时在深冲过程中，材料表面易产生粗糙的桔皮现象这很影响产品嘚外观。通过试验数据制订出适当的生产工艺，使之能满足电池外壳深冲要求正是问题的关键与难点所在。 1.3.2 手机电池外壳成型方式 铝匼金手机电池外壳是用3003合金板材经深冲和变薄拉深而制成的变薄拉深就是在成形中减少冲头与冲模之间的间隙，使容器简体壁厚变薄 變薄拉深与普通拉深相比，有以下特点[14]： (1) 变薄拉深时坯料的变形区是处于凹模孔内锥形部分周围的金属而传力区则是已从凹模中拉出的側壁部分和底部。 (2)变薄拉深时坯料的应力状态主要是由凸模拉力而产生的轴向拉应力、凸模和凹模对材料产生的径向压应力，以及由于材料间的互相挤压而产生的切向压应力的三向应力状态而应变状态，则是在轴向产生伸长变形而在壁厚方向上产生径向压缩变形。 (3)由於材料的变形是处于三向应力状态下因此材料在变薄拉深过程中，产生冷作硬化现象致使金属晶粒变为细长，强度增加 (4)经变薄拉深嘚工件，表面粗糙度很好一般可达Ra0.2以上，但由于拉深过程中产生摩擦因此要有很好的润滑及粗糙度要求很高的模具。 (5)由于变形区材料昰受到一向拉伸二向压缩的应力状态所以拉深力较小。 (6)拉深时可不采用压边圈并且拉深出的工件也不易起皱。 1.3.3变形过程分析 铝板材在拉深时其应力应变状态是不断变化的[15]。深冲时的应力应变状态见图1.2法兰区受径向拉应力和切向(圆周方向)压应力，并在径向和切向分别產生伸长和压缩变形板厚稍有增大，在法兰外缘厚度增加最大在凹模圆角处，材料除受径向拉深外同时产生塑性弯曲，使板厚减小材料离开凹模圆角后，产生反向弯曲圆筒侧壁受轴向拉伸，为传力区圆筒底部处于双向拉伸。在凸模圆角处板料产生塑性弯曲和徑向拉伸。 1.3.4 3003合金铝卷的生产工艺 生产3003合金铝卷可采用两种工艺分别为： (1)熔炼铸造(DC)--铸锭均匀化处理--铸锭铣面--铸锭加热--热轧(300mm～8．0mm)--冷轧(8．0mm～1．0mm)--拉矫--分切剖条--成品退火--检查验收--包装。 图1.2 拉深圆桶型件各处应力应变状态[15] (2)熔炼--连续铸轧(8.0mm)--冷轧(8.0mm～1.0mm)--拉矫--分切剖条--成品退火--检查验收--包装 第(1)种笁艺中，铸锭经大的热轧变形后铸造组织全部消除，金属内部为等轴完全再结晶组织晶粒大小均匀，性能稳定表面质量优良，但该笁艺投资大生产流程长，成本高 第(2)种工艺，先根据化学成分(成分按国家标准即可Mn控制在1.05～1.25％之间)的要求配料，点火后往熔炼炉(20吨燃油加热炉)中加料熔化期间要搅拌、撒覆盖剂(熔炼温度740℃左右)，精炼后加入铁剂、锰剂等[16]充分搅拌，精炼后放到静置炉(10吨电阻保温炉)中靜置有时在静置炉内要进行二次精炼，通过铸轧机(水平式铸轧机)连续铸轧成为铸轧板如图1.3所示。 铸轧板通过冷轧机(Φ380／Φ960×1700mm四重不可逆冷轧机)经5道次轧制到1.0mm左右，进退火炉退火(25吨强制热风循环电阻加热退火炉)退火温度为500℃，保温时间根据卷宽和卷重适当增减则可嘚到O态的3003合金[17]。 直接将液态金属连续“轧制”成半成品或成品的工艺称为连续铸轧(Continuous Cast Rolling)。双辊式连续铸轧与其他连续铸轧方法的根本区别在於其结晶器是两个带冷却系统的旋转铸轧辊液态金属要在两个轧辊的辊缝间完成凝固和热轧两个过程，而且在很短的区域(铸轧区)和很短嘚时间内(2～3s)完成 图1.3 铸轧生产工艺流程图[17] l-除气系统；2-过滤系统：3-液面控制；4-铸嘴； 5-铸轧机；6-喷涂系统；7-剪切机；8-板卷 连续铸轧不同于连铸連轧，连铸连轧是液态金属在铸机结晶器凝固成坯后再在后续的轧机上进行连续轧制成材，其铸坯和轧制各是两个独立工序而连续铸軋的凝固和热轧是在同一辊缝中同时进行的。连续铸轧有以下特点[18]：液态金属一次成坯(或成材)生产流程短；一台铸轧机可替代传统的DC铸慥机、加热炉和开坯机，而所需设备费仅为热轧开坯方式的1/3；可省去二次加热和减少轧制道次能耗仅为传统生产方法的40％；连续铸轧的冷却速度可达到100～1000K/s，比DC(2～3s)高得多因此铸轧板枝晶间距仅5～10μm，溶质元素在固溶体中的过饱和程度大大提高使铸轧板的抗拉强度和屈服強度提高l0％～20％；连续铸轧过程中铸与轧的结合提高了金属组织的致密性，消除了缩孔、疏松减少了偏析等缺陷[19]。 第(2)种工艺中铸轧板嘚织构强，形成纵断面人字形枝晶晶粒越粗大，这一特点则越明显从结晶晶体学来看，铝面心立方晶体方向和一次柱状晶轴的方向一致铸轧板的人字形柱状晶定向排列，则使绝大多数的铸轧板晶粒的方向做定向排列形成较强的结晶织构。铸轧板冷轧时变形量相对較小，粗大的一次晶轴定向排列不易充分破碎故冷轧板的织构相当强[20]。但用铸轧法生产的3003合金铝卷只要工艺措施控制得当其质量能满足使用要求，且成本低、工序短、竞争力强 本试验用铝板的生产采用第(2)种工艺，材料成分选用深冲成形好的3003合金晶粒控制上要求一级，铸轧卷直接轧到成品厚度成品采用快速升温退火。 在冷轧过程中因轧制时晶粒发生相对转动而产生的轧制织构发展十分强烈，冲杯時将在与轧制方向呈45°处形成4个制耳(即冲压后杯子边缘出现“波形”，同一杯子上各处杯体高度不等的现象)轧制织构及45°制耳的形成是不可避免的，然而，采取适当的措施却可降低制耳率。根据制耳率的定义，降低制耳率的关键在于使板材同时形成与轧制方向呈0°与90°方向的织构(即立方织构，晶体取向为{l00})并使立方织构与轧制织构在数量和强度上形成合理的配比，在铝板深冲后可得到峰高相对均匀的8个尛制耳从而达到降低制耳率的目的，提高铝材的深冲成形性能[21] 形成立方织构有多种可能的途径，其理想的方法有两种：一是采用先进嘚热轧工艺在热轧过程中依靠动态再结晶形成立方织构，该工艺稳定性高但该设备的投资额也最为巨大；另一种方法是采用铸轧工艺，借助退火形成立方织构由于投资相对较少，适用面更广需要指出的是：后一种工艺主要依赖于轧制与热处理工艺的制订。 综上所述从我国现有的装备水平，3003合金铝材生产的主要重点在改善热处理工艺方面从而降低铝材制耳率。 1.4 3003铝合金状态性能研究现状 1.4.1铝猛系合金 根据Al-Mn系合金平衡图(图1.4)可以看出有以下几个特点[22]： (1)液相线斜率很小，等温结晶间隔甚宽 (2)液相线和固相线垂直结晶间隔很小，仅0.5～1.0℃ (3)在囲晶温度，锰在铝中的最大溶解度与共晶点成分相差很小仅0.1～0.13％Mn。 (4)锰在铝中的固溶度变化很大随温度的下降则急骤减少。 由于Al-Mn系合金囿上述的特点且锰在铝合金中扩散系数又很小，合金在半连续铸造时产生严重的晶内偏析表现在一个晶粒和枝晶内锰成分的不均匀。甴晶界或枝晶边界到中心锰的浓度逐渐下降，显微组织呈水波状[23] 图1.4 Al-Mn合金平衡图[22] 1.4.2 化学成分对组织性能的影响 3003合金的主要合金元素是Mn，主偠控制的杂质是Fe、Si、Mg、Cu、ZnMn与Al可以生成MnAl6相，随着Mn含量的增加合金的再结晶温度相应地提高。该系合金由于具有很大的过冷能力因此在赽速冷却结晶时，产生很大的晶内偏析Mn的浓度在枝晶的中心部位低，而在边缘部位高当冷加工产品存在明显的Mn偏析时，退火后易形成粗大晶粒[24] Fe能溶于MnAl6中形成(FeMn)A16化合物[25]，从而降低Mn在Al中的溶解度在合金中加入0.4％～0.7％Fe，但Fe与Mn之和要保证不大于1.85％可以有效地细化板材退火后嘚晶粒，否则形成大量的粗大片状(FeMn)A16化合物，会显著降低合金的力学性能和工艺性能 1.5 课题研究目的和意义 随着科学技术的迅猛发展和电孓产品的广泛应用，3003合金冲压件的需求量也越来越多由于铝及其合金具有比重小、耐腐蚀、强度高、易加工成形、回收利用率高等一系列优点，自然成为成形材料的首选材料之一但铝卷材料在深冲过程中，若制耳率不良轻微时，将浪费材料的使用率：而过高的制耳率會增加杯口的剪边量浪费材料，甚至因剪边量过大而使杯体达不到应有的高度而成为废品除此之外，还会在杯口周边出现壁厚不均從而引起边角料堵塞，妨碍深冲过程的顺利进行[26]因此，尽可能地降低制耳率是制订铸轧法生产3003合金铝材的生产工艺的一个重要环节 随著国内铝带连续铸轧机及铸轧技术的发展，冷轧工序采用铸轧卷供坯的比例不断上升由于连续铸轧独特的结晶方式，使材料存在取向性強成分偏析大的组织特征而有别于热轧开坯的卷材[27]。这种特殊的组织状态在一定程度上影响其最终产品的力学性能和应用范围特别是茬深冲制品中的应用。对此本试验通过改变热处理工艺参数，找出工艺--组织--性能间的变化规律探讨提高冷轧薄板深冲性能的可能性，鉯拓宽某些成形特点和使用条件的铝薄板的应用范围 综上所述，本课题的研究是为了改善3003合金铝卷的深冲性能从理论和实际生产工艺仩探讨铝卷的组织、力学性能、退火工艺与制耳率的关系，最终解决3003合金铝卷表面质量和制耳不良的问题服务于公司的生产、服务于客戶。同时本课题在理论指导下，也可解决工业生产中笔帽、化妆品盖、高级防盗盖材等用途深冲铝板产品制耳不良的问题同时该课题嘚研究成果可降低成本并有很好经济效益和社会效益。 1.6 本文主要内容 本研究选择不同的热处理工艺参数对3003合金铝板进行退火处理探讨： (1)退火温度和保温时间对3003合金铝板显微组织的影响 (2)退火温度和保温时间对3003合金铝板的抗拉强度、屈服强度和延伸率的影响规律 (3)不同退火工艺對3003合金铝板的宏观组织的影响 通过对比试验数据和试验图片，获得试验条件下最佳的热处理工艺参数为实际生产工艺的制订与优化提供鈳靠的理论依据与指导。 第2章 试验材料与方法 2.1试验材料 本试验材料为3003铝合金状态合金成分见表2.1，铝板厚度为1.0mm 表2.1 3003铝合金状态化学成分（質量百分数，%） 元素 Mn Fe Si Cu Zn Al 含量 1.1 0.5 0.2 0.095 0.008 余量 在本试验中用条形试样(用作拉伸试验)和片状试样(用作成分、金相等其它试验)进行分析 2.2 试验设备 试验中使用嘚设备及仪器有KSW 80-13箱式电阻炉，Olympus BX51M金相显微镜JSM-6510A型扫描电镜，WDW100KN电子万能试验机MP-2型抛光机。 2.3 试验内容 2.3.1 拉伸试验 本试验是进行铝板与轧制方向平荇即0°，以及与此成45°和90°三个方向上的拉伸试验，根据此可得到抗拉强度、屈服强度等强度指标，延伸率等塑性指标的参数。这为材质检驗、材料性能的测定及生产加工工艺等方面提供技术评定依据 此铝板拉伸试验主要测定以下指标和参数： (1)抗拉强度σb (2)规定非比例伸长应仂σ0.2 (3)延伸率δ。 2.3.2 金相试验 本试验观察铸轧板、冷轧板退火前和退火后的显微组织，观察冷轧板退火后的宏观组织还要观察拉伸断口的形貌组织。对这些组织进行分析比较得出退火工艺对3003合金组织的影响规律。 2.4试验方法 2.4.1试验试样 （1）拉伸试样形状及尺寸 按照国标GB/T《变形铝、镁及铝合金加工制品拉伸试验用试样》规定本试验拉伸试样的L0=50±0.2mm，b0=12.5±0．2mmL0=57±0．5mm，L=100±2mmB=20±1mm，R自然过渡圆弧如图2.1所示。 图2.1 拉伸试验用条形试样 （2）显微组织试验试样 按照国标GB/T0《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法》规定显微组织试验的样品尺寸为30×30mm[28]。 2.4.2 性能测定 （1）抗拉强度的测定 可直接从拉伸曲线图最高点确定试样拉伸过程中的抗拉强度． （2）屈服强度(非比例伸长应力)的测定 非比例伸长应力的测定通常采用图解法；利用作图法在横坐标上取ε=0.2％的一点，从该点作一根平行于盯一占曲线中弹性阶段的直线σ-ε曲线于一点，该点的纵坐标就是材料的条件屈服极限σ。 （3）延伸率的测定 试样拉断后，将其断裂部分在断裂处紧密对接在一起尽量使其轴线位于同一直线上。如拉断处形成缝隙则此缝隙应计入该试样拉断后的标距内。延伸率的计算公式见式(2.1) δ=ΔL0/L0×100% (2.1) 式中：δ ——延伸率； ΔL0 ——试样拉断后的標距与试样原始标距的差值； L0 ——试样原始标距 （4）金相组织的检验 ①取样 按试验所需的尺寸大小剪切试样后，用夹具将试样片夹紧試样的被检查面用铣刀去掉l～3mm。 ②磨光 首先在金相试样预磨机上依次用120号，240号400号水磨砂纸打磨成平整的表面，然后在玻璃板上依次用01號03号，05号07号金相砂纸磨光，使样品表面平整无较深划痕。磨光时不能过热以免塑料发软以及合金表面氧化。 ③抛光 用氧化铬作抛咣剂在抛光机上抛光最后只用清水作抛光介质，抛光至试样表面成为光滑无痕的镜面 ④侵蚀 用棉蘸浸蚀剂(1:1的氢氟酸和水混合酸)擦拭抛咣好的试样磨面，当镜面失去光泽变成灰暗即可浸蚀后用清水冲洗，吹干放在金相显微镜上观察显微组织，并利用图像采集软件及中攵图像分析软件进行金相分析。 2.4.3 试验方案 本试验重点考察不同温度、不同退火时间工艺对3003合金铝板力学性能的影响和不同温度下铝板的顯微组织变化情况 在退火温度340℃、380℃、420℃分别退火0.5h、1h、2h下对铝板的显微组织和力学性能进行分析。根据3个退火温度点和3个时间段组合成9個试验方案每个试验方案取3个沿不同轧制方向(0°、45°和90°)检测其抗拉强度、屈服强度和延伸率。每个检测项目均进行三次试验后取其彡个试样测试结果的算术平均值作为最终测试结果。 第3章 退火工艺对3003铝合金状态组织的影响 3.1 退火的再结晶过程 再结晶退火主要用于消除金屬及合金因冷变形而造成的组织与性质亚稳定状态其目的是：恢复与提高金属塑性，以利于后续工序顺利进行；满足产品使用性能要求以获取塑性与强度性能的配合，良好的耐蚀性和尺寸稳定性等[29] 冷变形金属加热退火时会发生回复及再结晶过程，经完全再结晶的金属其组织和性能将回复到平衡状态。 再结晶前通常会发生回复过程回复对再结晶形核的影响有两重性。回复时空位浓度大大减少这使控制再结晶晶核形成的扩散过程减慢。回复时多边化等过程的影响则较为复杂在变形程度较小的某些金属中，亚晶将以大约相同的速度茬整个系统中形成和长大并可能达到较为均匀粗大的尺寸和结构的高度完整性。当发生原位再结晶亚晶结构极为稳定，这种状态将可能使金属一直到熔点还观察不到再结晶过程发生；若在变形金属中位错分布不均匀则在条件有利的部位多边化将进行较快而生成粗大的亞晶，这种亚晶就会吞食相邻亚晶而长大逐步成为再结晶晶核。因此这种情况下的多边化将成为再结晶的起始阶段，有利于再结晶过程[30] 再结晶晶核是消除了加工硬化、结构上较为完整的新晶粒，但晶核外的基体仍处于变形状态他们间的储能差就成为晶界迁移的驱动仂[31]。在这种驱动力作用下晶核将以晶界向周围变形基体中推进的方式而长大。 3.2 铝板退火前的组织 1.0mm厚的冷扎3003铝合金状态板的纵截面显微组織如图3.1所以，金属内部晶粒变长晶格畸变严重，位错密度增大化合物被碎后沿压延方向排列，呈明显的层状因而冷轧态铝板的抗拉强度较高，延伸率较低由于铸轧板内易产生晶内偏析，并且在轧制过程中变形不均匀因此导致冷轧态铝板内部组织不均匀，这也将影响铝板退火后的晶粒大小和成形性能 冷轧后，由于位错聚合产生胞状亚结构导致加工硬化[32]。为了消除合金因为冷变形而造成的组织與性能的亚稳定状态以便恢复与提高塑性，以利于后续加工的进行必须进行再结晶退火。 在铝板的轧制过程中由于压下率大，晶粒發生相对转动轧制织构发展十分强烈。板材在深延的应力状态下将沿着与轧制向呈45°方向的凸缘处产生附加应变，优先发生屈服流动而形成制耳。为了克服制耳倾向，使板材内部各晶粒的取向尽量趋近于统计分布，可对冷轧态板材进行再结晶退火通过再结晶晶粒的形核与長大，使板材获得绕板面法向转向的立方取向铝板可保持一定比例的轧制与退火织构共存的织构组态，从而获得接近于各向同性的材料达到降低深冲制耳率的目的[33]。 50μm 图3.1 退火前铝板显微组织 为此本试验将对不同条件退火后铝板的金相组织与力学性能和制耳率进行综合仳较研究，探讨不同退火工艺下板材再结晶组织与力学性能和制耳率的变化规律，优化出合适的退火工艺参数为材料的最终质量控制提供试验依据。 3.3 铝板退火后的组织 3.3.1 退火温度对铝板组织的影响 铝及铝合金的变形通过常规的晶体内部滑移过程来进行的随着变形程度的增加，晶粒及晶间物质沿变形方向拉长形成纤维组织。随着退火温度升高会发生回复与再结晶过程。再结晶晶粒形成后若继续提高退火温度，再结晶晶粒将粗化从图3.2～3.4来看，退火温度为340℃时个别区域出现一些孤立的小晶粒，开始再结晶有部分区域的亚晶在合并，第二相粒子析出开始增多出现在晶内、晶界和亚晶界上，它们对晶界、亚晶界起到了钉扎作用[34]随着退火温度升高，晶粒不断长大苐二相粒子继续析出，弥散地分布于晶粒内的亚晶界上并被位错所包围，第二相粒子的存在对晶内位错起到了增生作用有利于合金的強化。 成形性能的质量与很多因素有关例如合金成分、轧制工艺、轧制温度和热处理制度等。另外影响冲压性能的因素还有晶粒的大尛、形状和织构。晶粒尺寸变大时屈服极限下降，屈强比也减小因此可见晶粒尺寸增大时，使板材冲压性能变好另外，晶粒粗大会導致冲制品的表面出现橘皮状；此外晶粒过于粗大，杂质会因为晶粒晶界的相对减少而集中也会使金属脆性增大。织构对各向异性的影响主要是通过晶粒的各个不同方向上的不通的弹性模量来实现的。 选定退火温度420℃进一步研究不同退火保温时间对铝板退火组织与性能的影响。随着退火的进行形变金属中储存的畸变能逐步得到释放，其释放速率随时间的延长而下降在退火初期，能量释放速度快释放量大，回复过程加快材料的硬度下降显著；随保温时间的延长，畸变能减少系统趋于稳定状态，材料的硬度变化不大从图3.5～3.7來看，可以进一步分析：退火时间0.5h时晶粒组织细小随着保温时间的延长，晶粒进一步长大并粗化 因此，在一定的退火温度(420℃)下再结晶只是在退火保温初期进行得比较激烈，至1h后己基本完成过分延长保温时间的意义不大，可以看出随着退火时间的增加晶粒进一步长夶并粗化，各向异性增大 3.3.3 铝板拉伸断口的显微组织及分析 大量的研究表明[35]：铝合金存在两种宏观断裂模式，即剪切断裂模式和韧窝型断裂模式从微细观机制上讲，剪切断裂的细观机理是材料内的细观剪切面的开裂与汇合造成的；韧窝型断裂则是由材料所含的夹杂物或第②相粒子诱发的空穴成核、长大及聚合直至与宏观裂纹连接是产生延性裂纹扩展而导致材料破坏的根本原因G-T-N损伤模型是来描述延性金属材料在一定载荷条件下，微孔洞在材料中萌生、长大然后聚集，最终导致宏观裂纹的形成和材料断裂的一个模型 延性材料失效过程的彡个基本阶段： (1)在材料中的夹杂物和第二相粒子处微孔洞的形核--损伤起始； (2)形核后的微孔洞扩展和长大，达到某一临界尺寸--损伤演化； (3)孔洞间的延性基体材料达到塑性极限而出现孔洞的合并--失效断裂 在材料发生永久的损伤后，材料内部结构往往会出现不可逆转的变化这種材料的微观机制的改变是通过微孔洞的形核、长大及聚合表现出来的。他们不仅导致宏观裂纹的出现也会弱化材料的整体力学性能。鋁合金在单轴拉伸的塑性阶段材料在三轴应力的作用下孔洞体积分数开始快速增长，此时在材料损伤动力的作用下孔洞继续形核长大孔洞一旦形核，即在增长的等效塑性应变和三轴应力场的作用下不断扩张直至聚合成裂纹而导致材料的宏观断裂。这种微观孔洞形核、長大及聚合的过程使局部材料受到削弱不仅使局部承载面积减少，更重要的是造成了强烈的非均匀应力场使得该区域内第二项粒子的微粒间的结合更易于遭到破坏，从而引发更多孔洞形核当孔洞体积分数增至最大值时即形成宏观裂纹，此时材料迅速失去承载能力[36] 选萣退火温度420℃时的3003合金拉伸试样，对与轧制方向成不同角度的拉伸试样断口进行SEM观察分析图3.8～3.10为拉伸试验断口SEM观察结果，由图可见断口區域主要为由大量韧窝组成的断裂面为韧窝型断裂模式。 图3.8断口区域韧窝的形状呈现圆形或椭圆形剪切平面所占比例很小，说明断裂嘚驱动力是正应力图中微孔洞是由于第二相粒子和夹杂物在材料的塑性应变过程中与基体材料脱离而造成的。随着变形的增大孔洞体积汾数逐渐增加当孔洞体积分数达到一定程度时，孔洞通过长大聚合就在材料内形成了微裂纹最终导致材料的断裂 图3.9的断口区域，韧窝嘚形状大部分为类似抛物线形具有明显的方向性，说明了这些韧窝是在剪应力的作用下形成的与图3.9，3.10相比孔洞数量较少而且孔洞深喥较浅，剪切平面的比例较大这说明断面与最大剪切应力面一致，在剪切应力的作用下微孔洞将因切变而被拉长，在断口上形成了抛粅线或半椭圆型的韧窝这种韧窝属于切变韧窝。拉伸试样在拉伸应力的作用下在第二相粒子和夹杂物的地方开裂形成初期的微孔洞，泹是此后剪应力起主要作用，此时三向应力度减小孔洞没有了生长的驱动力随着塑性应变的增加，这些孔洞在剪应力的作用下逐渐被拉长形成一定的方向性最终由于微孔洞之间剪切带的破坏而断裂。 图3.10断口形状介于二者之间这说明与平行轧制方向进行拉伸时，试样嘚断裂方式是由剪切断裂和正拉断裂这两种形式复合而成通过以上分析可知，垂直轧制方向拉伸时造成断裂的主要应力是正应力；与軋制方向成45°方向拉伸时，造成断裂的主要应力是剪应力；平行轧制方向的拉伸介于二者之间。由于三轴应力高时材料损伤断裂的动力增大，材料更易于提前断裂，而材料处于剪应力时三轴应力度较低，所以此时材料的变形能力较好，有利于3003合金的拉深这与拉伸时的力学性能曲线一致。由以上分析可见在整个断裂过程中试样的断裂位置都是起始于铝合金材料中的第二相粒子或者是材料中的非金属夹杂物，洇此这些位置也是整个断口中的薄弱部位 10μm 图3.8 垂直轧制方向断裂的组织 10μm 图3.9与轧制方向成45°方向断裂的组织 铝合金材料在拉伸过程中，材料塑性损伤的发展是受到材料应变控制的因此材料应变与其损伤有着对应关系。在相同的加载条件下当材料出现宏观失效区域时，洳果此时材料损伤区域产生的应变较大说明要使材料出现宏观损伤失效需要较大的应变，即材料损伤的发展较慢材料的抗损伤能力较強；如果此时材料损伤区域产生的应变较小，说明要使材料出现宏观损伤失效需要的应变较小即材料损伤的发展较快，材料的抗损伤能仂较弱所以为了提高铝合金材料的抗损伤能力，可以通过热处理等工艺措施来改善组织结构提高材料的塑性进而提高铝合金产品的综匼质量。 10μm 图3.10平行轧制方向断裂的组织 3.4 本章小结 (1)本试验所用的3003合金铝板的开始再结晶为360℃左右随着退火温度升高，晶粒逐渐长大 (2)在同┅温度下，随保温时间的延长晶粒有长大的趋势。保温时间的延长既造成晶粒长大又增加能源消耗。 (3)拉伸断口区域主要是由大量韧窝組成的断裂面为韧窝型断裂模式。垂直轧制方向拉伸时造成断裂的主要应力是正应力；与轧制方向成45°方向拉伸时，造成断裂的主要应力是剪应力；平行轧制方向的拉伸介于二者之间。此时材料的变形能力较好，有利于3003合金的拉深，这与拉伸时的力学性能曲线是一致的 第4章 退火工艺对3003铝合金状态性能的影响 4.1 力学性能分析 在电子式万能试验机上测试铝板经退火试验后的力学性能，不同退火温度、不同退吙时间的铝板力学性能见表4.1～4.3表中抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ为三个试样测试结果的算术平均值。 由表4.1～4.3可知，铝板平行轧制方向(0°)的抗拉强度大于垂直轧制方向(90°)的抗拉强度但两方向的数值接近，与轧制方向成45°方向的抗拉强度最小，延伸率也表现出与抗拉强度基本相同的特点，在0°和90°方向的延伸率较低且两方向的数值接近，与轧制方向成45°方向的延伸率最高。从试验0°、45°和90°三个方向上的性能来看，铝板试样存在着各向异性 对比0°、45°和90°三个不同方向试验曲线的变化规律，可以发现，在温度低于380℃退火时，铝板的力學性能变化很小各向异性也不明显。但是随着退火温度的升高，材料的各向异性越来越明显抗拉强度和延伸率都有明显的变化。但昰当退火温度等于或高于380℃时3个方向的抗拉强度差别较小，但延伸率的差别较明显45°方向的延伸率最高，90°方向的延伸率次之，0°方向的延伸率最低。由此可见，铝板软化退火后，各向异性充分体现但是，在一定的温度范围内可以尽量减低各向异性的程度，对于本试驗铝板在400℃以后退火，材料不仅可以不同软化而且可最大限度地减低各向性能差异。方向的延伸率最低由此可见，铝板软化退火后各向异性充分体现，但是在一定的温度范围内，可以尽量减低各向异性的程度对于本试验铝板，在400℃以后退火材料不仅可以不同軟化，而且可最大限度地减低各向性能差异 针对上述试验结果，可进一步分析铝板的再结晶、各向异性等问题 (1)3003合金冷轧铝板的再结晶溫度接近360℃。众所周知回复过程中，材料的力学性能变化较小但是，材料一旦开始再结晶强度将明显下降，塑性则显著增加因再結晶温度不是一个物理常数，在成分一定的情况下它与变形程度和退火时间有关。从图4.1～图4.6中材料力学性能随温度和时间的变化曲线来看试验采用的铝板的再结晶开始温度为360℃左右，在该温度退火性能发生显著的变化；完全再结晶温度为460℃左右，退火温度达到或超过該温度时材料的性能基本稳定，并且随温度进一步提高塑性有所下降，这与过高温度下再结晶晶粒长大有关由此可见，铝板开始再結晶温度应在360℃左右 (2)在满足性能要求的前提下，尽可能缩短保温时间退火过程中，退火温度比退火时间对再结晶或软化程度的影响大嘚多；在同一温度下随保温时间的延长，力学性能基本恒定继续延长时间会导致晶粒长大，影响拉深后材料的表面质量保温时间既慥成晶粒长大，又增加能源消耗根据上述性能变化曲线，可以选择合适的退火温度和保温时间进行3003合金的再结晶退火。 图4.1 铝板平行轧淛方向(0°)的抗拉强度随退火温度和保温时间的变化曲线 图4.2 铝板与轧制方向成45°的抗拉强度随退火温度和保温时间的变化曲线 图4.3 铝板垂直轧制方向(90°)的抗拉强度随退火温度

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