[科普中国]-冷变形

简介

金属在再结晶温度以下的变形，虽然也是金属处于加热状态，但并非热变形或热加工。例如纯铁在400℃时的加工仍为冷加工，因为纯铁的最低再结晶温度是450℃。同样，金属在再结晶温度以上的变形，虽然没有加热金属或在室温下，也并非冷变形或冷加工。例如铅、锡等低熔点的金属在室温下的加工为热加工，因为铅、锡的最低再结晶温度分别为－63℃、－96℃。

5083 铝合金由于具有比强度高、耐海水腐蚀性好、可焊接和易成形等优点，在世界许多国家已经成为船舶的主要结构材料之一，在船舶制造行业得到广泛应用。铝合金船板可有效减轻船舶重量、提高稳定性、增大航速，而且可以避免钢板在使用期间因锈损引起的船舶过早报废等问题。由于5083铝合金中镁含量较高，过饱和的镁在室温或较高温度下以β 相形式在晶界处连续析出，影响合金的耐晶间腐蚀性能。另外5083 铝合金冷变形后组织状态不稳定，需要在冷变形后对其进行稳定化退火，以获得良好的组织形态及β 相的理想分布，从而使合金在使用过程中具有稳定的力学性能和良好的腐蚀性能1。

冷变形量对铝合金板力学性能的影响5083 铝合金拉伸试样取自板材宽度的1 /3、厚度的1 /4 处，截取纵向拉伸试样，检测过程按照相关标准执行， ASTM B928 规定的5083 铝合金板材力学性能标准为: 305 N/mm2≤Rm≤385 N/mm2，Rp0． 2≥215N/mm2，A≥10%。

5083 铝合金的强度均满足相关标准的要求，但大变形量( 45%) 后板材的伸长率则整体偏低。处于同一稳定化退火温度下的板材，随着冷变形量的逐渐增大，其屈服强度和抗拉强度逐渐升高，伸长率逐渐降低; 对于同一冷变形量的5083 铝合金板材而言，屈服强度和抗拉强度随着稳定化退火温度的升高而逐渐降低，断后伸长率逐渐升高。

冷变形量对铝合金板腐蚀性能的影响对试样进行晶间腐蚀试验，5083 铝合金板材的晶间腐蚀失重均小于15 mg /cm2，符合相关标准要求。在100℃ 退火2 h时，不同变形量的合金的晶间腐蚀失重均较大，大于10 mg /cm2 ; 120℃退火2 h 时，晶间腐蚀失重略有减少，处于6 mg /cm2 ～ 10 mg /cm2 之间; 当温度高于140℃退火2 h 时，晶间腐蚀失重进一步减少，且这种减少的趋势趋于平缓。

总体上看，冷变形程度对板材腐蚀性能的影响较小，而稳定化退火制度对其影响较大。板材抗晶间腐蚀性能随冷变形程度的增加而略微降低; 随着稳定化退火温度的升高，成品板材失重腐蚀程度越来越小，抗晶间腐蚀性能呈现逐渐增强的趋势，且这种趋势在退火温度高于140℃后逐渐趋于平缓。

冷变形量对铝合金板显微组织的影响为进一步分析冷变形量及稳定化退火对5083铝合金板腐蚀性能的影响，总结合金腐蚀性能与析出物分布形态的关系，对上述5083 铝合金试样进行了析出相分布分析。

同一变形量下，较低稳定化退火温度下板材析出物极易沿晶界形成沉淀网膜，随着退火温度升高，这种沉淀网膜逐渐减少。

合金基体上均存在黑色和灰色的粗大第二相及细小弥散分布的析出相。同一冷变形量下，稳定化退火温度较低时，β 相极易沿位错、杂质聚集的晶界处析出，随着析出的进一步聚集，加快β 相的析出，最终形成连续分布沉淀网膜，此时合金的抗晶间腐蚀性能较差。随稳定化退火温度的升高，β 相优先在亚晶界与晶界的交切点上沉淀，沿晶界形成沉淀网膜的倾向降低，且在晶粒内分布更加均匀，此时晶粒内部不会产生加速腐蚀的电位差，合金的耐蚀性得到改善，与前述晶间腐蚀性能试验结果相符。

冷变形分析与讨论Al-Mg 合金的抗蚀性与β 相的沿晶沉淀网膜密切相关，并且随着镁含量的增高、冷变形程度的增大和稳定化退火温度的降低及时间的缩短，这种网膜的形成倾向也愈强烈。因此，合理地选择和控制这些因素，就成为生产高抗蚀性Al-Mg 合金的中心问题。解决这一问题的关键有两点: 一是保证晶界没有连续的沉淀网膜; 二是促进β 相在晶粒内的均匀分布。

由于冷变形后的Al-Mg 合金增加了大量的位错和点缺陷，合金处于不稳定状态，且α( Al) 固溶体中镁过饱和，β( Mg2Al3) 相大量在晶界和滑移带上呈网状析出，而这种网状沉淀网膜的腐蚀电位与基体处相差较大，极易加速腐蚀的发生，使材料的抗晶间腐蚀性能下降。冷加工还会加速沉淀相析出，进一步加快了β 相沿晶界连续析出的速度。因此，随着冷变形量的增大，合金的抗晶间腐蚀性能明显下降。而经过不同温度的稳定化退火后，合金的位错能在极短时间内移动到亚晶界上，β 相会优先在亚晶界和晶界的交切点及晶界和晶界的交切点上沉淀，最终能沿晶粒内外同时发生沉淀和球化，从而消除了向沿晶界形成的沉淀网络，提高了合金的耐蚀性，故合金的耐蚀性随着稳定化退火温度升高而得到提升。

对各冷变形量及稳定化退火后的5083 铝合金板材晶间腐蚀性能及对应状态的析出相分布的分析可知，当退火后板材组织中析出物沿晶界形成连续网膜时，板材的晶间腐蚀性能就会较差; 而随着调整冷变形量及稳定化退火工艺参数，当板材组织中析出物在晶内弥散分布且不沿晶界连续析出时，板材的晶间腐蚀性能较好。因此，对于船用5083 铝合金板材，调控β 相析出是保证合金腐蚀性能的关键因素。通过适当的冷变形量及稳定化退火的结合来控制β 相的析出，从而获得优良的腐蚀性能和稳定的力学性能，是可在生产中采用的。

为使板材具有较高且稳定的力学性能，冷变形量可控制在25% ～ 35% 之间，同时为确保合金具有优良的腐蚀性能，得到更均匀分布的析出相组织，稳定化退火温度可适当高于140℃2。

总结1) 对于同一冷变形量的5083 铝合金板材而言，屈服强度和抗拉强度随着稳定化退火温度的升高而逐渐降低，断后伸长率逐渐升高; 而处于同一稳定化退火温度下的板材，随着冷变形量的逐渐增大，其屈服强度和抗拉强度逐渐升高，伸长率逐渐下降。

2) 随着稳定化退火温度的升高，抗晶间腐蚀性能呈现逐渐上升的趋势; 随冷变形量的增大，抗晶间腐蚀性能逐渐降低。

3) 调控β 相析出是保证合金腐蚀性能的关键因素。β 相沿晶界析出并连续分布时，板材的晶间腐蚀性能显著恶化; β 相在晶内析出均匀且不沿晶界连续析出时，板材的晶间腐蚀性能较好3。