5083铝合金均匀化过程中力学性能与微观组织的相关性研究

摘 要：本文通测量了5083铝合金在480℃、500℃、520℃、540℃保温24小时后的力学性能，结果显示在480℃均匀化后的力学性能比在其他温度下均匀化后的力学性能高约6MPa。对均匀化前后的试样进行了金相观察，结果显示四种均匀化制度下的晶粒均没有发生粗化，但在480℃均匀化时晶粒内部析出的Al6Mn的尺寸最小。根据Orowan强化机制的计算模型可知，第二相尺寸越小对强度的提高越显著。因此为了获得更高的强度应尽量减小Al6Mn的尺寸。

关键词：5083铝合金；均匀化；力学性能；微观组织

1、简介

5083铝合金是应用非常广泛的一种Al-Mg合金。具有中等强度，良好的耐蚀性能、加工性能及焊接性，主要用于制造船板、模具存储罐等领域。

Al-Mg合金属于不可热处理强化铝合金，其主要的强化方式是Mg元素的固溶强化和应变强化两种方式。Mn是Al-Mg合金中常加的一种元素，它和铝元素形成Al6Mn起到第二相强化的作用，5083铝合金中Mn含量一般在0.7%左右。常规的半连续铸造，必然导致主合金元素Mg、Mn的微观偏析，从而影响材料的强度。因此，必须对铸锭进行均匀化热处理。有研究者[1]认为在460-480℃保温25小时以上可以获得较好的均匀化效果，有研究者[2]认为要在510℃进行均匀化。

均匀化过程中，Mn元素会以Al6Mn的形式析出来。不同的均匀化制度， Al6Mn的形成尺寸也不同具有不同的尺寸，也必然会影响材料强度。本文研究了Al6Mn尺寸和力学性能之间的相关性，以获得更加优异的均匀化效果。

2、实验材料和方法

2.1实验材料

5083铝合金为天津忠旺铝业有限公司制造的铸锭，其成分如表1所示。

2.2实验方法

30mm×30mm×300mm的5083铝合金放入马弗炉进行均匀化退火，均匀化温度分别是：480、500、520、540℃，时间都为24小时。均匀化后进行力学性能测试。利用光学显微镜研究了均匀化前后晶粒尺寸的变化及Al6Mn尺寸的变化。

3、实验结果及分析

3.1 力学性能测试

图1为在不同温度保温24h后，常温力学性能测试结果，由图可知，虽然同样是保温24h，但在480℃进行均匀化后，其力学性能比在其他温度进行均匀化的材料的强度略高，高约6MPa左右。

金属材料的强化方式有固溶强化、细晶强化，应变强化和第二相强化四种类型。对于同一种材料的铸态合金来说，其强化方式就只有细晶强化和第二相强化（由Al6Mn的大小决定）。下面将通过进行显微镜来观察均匀化前后5083合金的晶粒组织及Al6Mn尺寸的变化情况，以此来解释产生这种强度差异的原因。

3.2 不同均匀化处理后的晶粒组织

图2和图3分别为5083铸态合金在480℃和540℃进行24h均匀化前后晶粒尺寸的变化情况。由图可知，经480℃、540℃保温24h的均匀化后，晶粒尺寸均保持在500μm左右，这说明在上述四种均匀化过程中晶粒并没有发生长大，因此细晶强化并不是产生图1所示的强度差异的原因。

3.3 不同均匀化处理后二次Al6Mn的尺寸变化

图4为5083铝合金在480、500、540℃保温24h后，通过进行显微镜放大1000倍观察到的晶粒内部析出的Al6Mn相。从图中可以看出，在480℃进行均匀化时，晶粒内部很干净，看不见条状Al6Mn相。而在500℃及540℃进行均匀化时，能够明显看见条状的Al6Mn相，它的长度、宽度随着温度的升高逐渐增加，长约5μm，宽约1-2μm。

Orowan第二相强化机制[3]：

Δσor=0.4MGb/（πλ）ln[πr/（2b）]/（1-v）1/2 （1）

λ=r[（2/3π/f）1/2-π/2] （2）

式中，M=3.06为泰勒常数；G为铝基体的剪切模量；b=0.286nm为铝基体的柏氏矢量；λ为第二相间距；v为泊松比；r为第二相半径；f为第二相的体积分数。

根据第二相强化机制的计算模型，可以看出材料的强度和第二相的体积分数成正比，和第二相的半径成反比。当第二相体积分数一定时，第二相半径越小对强度的贡献越大。研究显示[4]Al-Mn相在480℃已开始析出，只是尺寸非常小，在1微米以下，在光学显微镜下观察不到。因此，在本实验所用的均匀化温度范围内，在480℃进行均匀化获得的第二相尺寸最小，它对强度的贡献最大。这应该是造成如图1所示的强度差异的原因。

4、结论

5083铸态铝合金在480℃、500℃、520℃、540℃进行了24h的均匀化，力性测试结果显示，480℃均匀化较其他温度均匀化时强度比在其他温度均匀化高约6MPa。四种热处理制度下，晶粒尺寸没有发生明显变化。但析出的Al6Mn相却有明显差异，在480℃退火过程中形成的Al6Mn相尺寸最小，在其他温度退火过程中形成的Al6Mn已经明显粗化。根据Orowan强化机制可知，第二相尺寸越小对强度的贡献越大，这是造成强度差异的原因。

参考文献

[1] 马成国，桑玉博 （2012）. "5083 铝合金均匀化退火工艺研究." 热加工工艺 41（24）： 205-207.

[2] 蒙玲等. （2014）. "均匀化处理对 5083 铝合金铸锭组织与性能的影响." 金属热处理 39（8）： 101-104

[3] Keith E. Knipling， Richard A. Karnesky， Constance P. Lee，David C. Dunand， David N. Seidman. Precipitation evolution in AlC0.1Sc， AlC0.1Zr and AlC0.1ScC0.1Zr （at.%） alloys during isochronal aging. Acta Materialia 58 （2010） 5184C5195

[4] Nagahama， K. and I. Miki （1974）. "Precipitation during Recrystallization in AlCMn and AlCCr Alloys." Transactions of the Japan Institute of Metals 15（3）： 185-192.