Влияние горячей прокатки на анизотропию механических свойств алюминиевого сплава 6061

Алюминиевые сплавы системы Al–Si–Mg получили широкое применение как конструкционный листовой материал в авиационной и автомобильной промышленности, что обусловлено их высокими значениями удельной конструкционной прочности и коррозионной стойкости [1–4].

Технология производства плоского проката из алюминиевых сплавов, основанная на методе литья и последующей горячей прокатки (ГП), осуществляемых при неоднородных направленных термических и деформационных воздействиях, практически всегда приводит к формированию анизотропии механических свойств конечного продукта. К этому явлению привлекается все большее внимание исследователей, что обусловлено необходимостью корректировки технологических процессов в зависимости от требований потреби- телей по соблюдению той или иной степени изотропности.

В работах [5–7] показано, что изделия из алюминиевых сплавов обладают определенным уровнем анизотропии, который может изменяться в зависимости от режимов термодеформационной обработки. В работе [8] обращено внимание на то, что при ГП алюминиевого сплава серии 3000 происходит накопление доли предпочтительных ориентировок по прокатным проходам, несмотря на наличие временных междеформационных пауз. В течение ГП металл постоянно подвержен практически одной и той же схеме деформации, что может приводить к нарастанию анизотропии свойств.

Основной причиной возникновения текстуры при обработке металлов давлением является деформация в стесненных условиях, соответствующих определенному напряжен- ному состоянию материала [9, 10]. Ориентированное воздействие на металлический материал приводит к деформации всех составляющих его кристаллитов за счет скольжения дислокаций по системам, имеющим максимальную активность, то есть характеризующимся относительно максимальных касательных напряжений наибольшим фактором Шмида [11]. На основании этого положения были построены модели развития текстуры деформации Закса, Тейлора и другие [12]. Данные модели достаточно точно прогнозируют возможные ориентировки текстуры деформации в предельных случаях, но зачастую не могут объяснить наблюдаемые экспериментально соотношения интенсивностей различных компонент текстуры [12].

В алюминиевых сплавах в зависимости от химического состава, температуры и геометрических условий прокатки могут образовываться различные типы текстуры, характерные для большинства металлов с ГЦК-решёт-кой [13, 14].

Целью данной работы являлось установление взаимосвязи анизотропии механических свойств с текстурным состоянием горячекатаной плиты из алюминиевого сплава.

Материал и методики исследования

Исходной заготовкой служил сляб из алюминиевого сплава 6061 толщиной 445 мм, шириной 1340 мм длиной 1500 мм. Химический состав сплава, определенный методом атомно-эмиссионного анализа (мас. %): 0,62 Si; 1,0 Mg; 0,24 Fe; 0,19 Cu; 0,1 Mn; 0,06 Cr; до 0,14 Zn; 0,08 Ti.

Промышленную прокатку заготовок производили на стане кварто горячей прокатки валками диаметром 433 мм до конечной толщины 23,6 мм.

ГП осуществлялась в двух режимах:

I – при наименьших временных затратах, что обычно и применяется в производственном процессе для достижения наибольшей производительности, в этом случае температура прокатки изменялась от 460 до 423 °С при цикле прокатки 250 с;

II – при пониженной скорости прокатки, в этом случае температура прокатки изменялась от 460 до 376 °С, цикл прокатки составил 312 с.

После ГП отбирали образцы проката из центральной части полосы для определения стандартных характеристик, описывающих основные механические свойства материала:

временное сопротивление разрыву σ в , условный предел текучести σ _0,2, относительное удлинение δ . Образцы для механических испытаний вырезались цилиндрической формы из центральной по толщине области плиты. Их размеры соответствовали указанным в методологии стандарта ASTM B557. Были приняты три варианта вырезки образцов: вдоль направления прокатки (НП), под углом 45° к НП и поперек направления прокатки (ПН). Результаты измерения свойств серии образцов усредняли, для анализа применяли средние значения.

Электронно-микроскопическое исследование текстурно-структурного состояния образцов проводились на растровом микроскопе ZEISS CrossBeam AURIGA при ускоряющем напряжении 20 кВ. Для определения ориентировки отдельных микрообластей и анализа текстуры использовалась приставка EBSD HKL Inca с системой анализа Oxford Instruments. Шаг сканирования – 1 мкм. Погрешность определения ориентации кристаллической решетки – не более ±1° (в среднем ±0,6°). Для исследования текстурного состояния использовали ориентационные карты и прямые полюсные фигуры (ППФ). Малоугловые границы между локальными объемами строились на ориентационных картах при раз-ориентациях от 2 до 15°, при разориентациях не менее 15° проводились высокоугловые границы.

При анализе ориентировок в качестве лабораторной принята система координат, оси которой связаны с направлением ГП ( Х ║НП), нормалью к ее плоскости ( Y ║НН) и перпендикулярным им направлением ( Z ║ПН), которое совпадает с осью валков, так что все три направления образуют правую тройку векторов.

С помощью программного обеспечения системы анализа Oxford Instruments для одноосного напряженного состояния рассчитывались факторы Тейлора М , представляющие собой кристаллографические характеристики относительной прочности материала [15]. Различие в факторах Тейлора показывает различие в сопротивлении кристаллографических ориентаций началу пластической деформации. Максимальные значения М для металлов с ГЦК кристаллической решеткой имеют аксиальные компоненты текстуры <110> и <111> («жесткие» ориентировки), соответственно, М <110> = M <111> = 3,67. Минимальные –

< 100> ( «мягк а я » ори е н тиров к а ) , М <100> = 2,44. Без т екст ур но му (и з о т р оп но м у) со ст о янию м атериала соответствует М и зо тр о п . = 3,06 [15]. Фа к то ры Т е й л ора рас с ч и тыв а ли с ь д ля в с ех и де н ти фиц и ров а н н ы х обла с тей н а ори е н т а ц ионных картах.

Результаты и их обсуждение

Р ез у льтаты ме ха н и че ск их и с п ыта н и й п о ка за ли за м е тн у ю а н и зот роп ию с в ой с тв горя ч екат аны х пл ит (т абл . 1). Врем енно е со пр отивление ра з р ы в у и усл овны й пр едел т ек учести максимальны в н а пр а вл ении пар ал л ел ь но м П Н и м иним ал ь ны по д угл о м 4 5 ° к НП . В н а пр авл ении пар ал л ел ь но м Н П п р о ч но ст ны е сво йст ва о каз ал ись нескол ь ко н иж е (до 7 % ) относительно ПН. О тн оси те ль ное удли н е н ие суще с тв е н н о н е и зме н яло с ь в о в с е х н а п р а в лениях (см. табл. 1), т. е. с п ози ц и и п ла с ти че ск и х с в ой с тв ме та лл о к а за лс я п рак ти че ск и изотропен.

Полученные результаты согласуются с данными исследования [16], в котором также для горячекатаных листов алюминиевых сплавов зафиксирован минимальный предел текучести в направлении под углом 45° к НП. Анизотропия прочностных свойств объяснена наличием в листах кристаллографической текстуры, определенной морфологией зерен и ориентационными выделениями вторых фаз.

Металлографический анализ (рис. 1, а) образцов, отобранных для механических испытаний, показал, что структура преимущественно состояла из длинных (размер в НП превышал 600 мкм) деформированных зерен (см. рис. 1, а). Внутренние области зерен характеризовались развитой мезоструктурой, т. е. состояли из большого количества фрагментов (кристаллитов), имеющих близкие ориентировки, разделенных преимущественно малоугловыми границами.

Ориентационный анализ образцов показал, что вне зависимости от режима ГП наблюдалась выраженная сложная ограниченная текстура (рис.1, б и рис. 2). Основными компонентами текстуры являлись ориентировки: две из {110}<112>, две из {112}<111>, а также (001)[010] и (110)[001]. Данный набор дискретных ориентировок, за исключением (001)[010], соответствовал текстуре

Таблица 1

Экспериментально полученные механические свойства для алюминиевого сплава после горячей прокатки по двум технологическим режимам

5 s сц	Вре ме н н ое соп роти в ле н ие разрыву σ в , МПа			Относительное удлинение δ, %			Условный предел текучести σ 0,2 , МПа
	ПН	45°	НП	ПН	45°	НП	ПН	45°	НП
I	148	137	144	26	26	26	89	81	83
II	155	141	155	25	26	25	104	96	99

Рис. 1. Микроструктура и текстура плиты горячекатаного алюминиевого сплава: а – ориентационная карта (EBSD) с ПН; б – ППФ {100}, в виде выходов отдельных полюсов с области, соответствующей (а); в – стереографический треугольник с цветовой дифференциацией кристаллографических направлений

Рис. 2. Основные компоненты текстуры плиты алюминиевого сплава при различных режимах горячей прокатки: а – режим I; б – режим II

холодной прокатки для материалов с ГЦК-решёткой [17].

Метод ориентационной микроскопии (EBSD) позволяет рассчитывать фактор Тейлора для одноосного напряженного состояния, для каждой кристаллографически идентифицированной локальной области материала (рис. 3), а затем усреднить их с учетом ин- тенсивности ориентировок (табл. 2). Сравнение рассчитанных таким образом «интегральных» факторов Тейлора для текстур образцов (см. табл. 2) с механическими свойствами (см. табл. 1) позволяют утверждать, что анизотропия прочности в основном объясняется сформированным в результате горячей прокатки текстурным состоянием образцов.

Рис. 3. Факторы Тейлора в НП горячекатаной плиты алюминиевого сплава после режима II: а – ориентационная карта в расцветке факторов Тейлора; б – частота распределения факторов Тейлора области (а) с цветовой шкалой их величины

Таблица 2

Фактор Тейлора для алюминиевого сплава после горячей прокатки по двум технологическим режимам

Режим	Фактор Тейлора М
	ПН	45°	НП
I	3,35	2,90	3,06
II	3,27	2,92	3,03

Заключение

Современные методы ориентационной микроскопии, основанные на дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), позволяют рассчитывать фактор Тейлора ( М ) для одноосного напряженного состояния. Полученные результаты фактора Тейлора (см. табл. 2) для образцов, на которых проведены механические испытания, подтверждают, что анизотропия прочностных механических свойств горячекатаной алюминиевой плиты в основном определяется текстурой материала, показателем которой является усредненный по ориентировкам фактор Тейлора.

Отметим, что понимание закономерностей возникновения и развития текстуры с учетом соответствующей ей анизотропии механических свойств позволяет оптимизировать существующие технологии [18] или быть основой для создания новых [19].

Работа выполнена на оборудовании лаборатории структурных методов анализа и свойств материалов и наноматериалов ЦКП УрФУ при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 16-32-00030 мол_а и № 17-08-00892.