Work hardening of aluminium

 

Процесс деформационного упрочнения алюминиевых сплавов важен как с точки зрения понимания эволюции микроструктуры при пластической деформации, так и с практической точки зрения оптимизации формуемости алюминиевых сплавов для широкого спектра применений. Кроме того, деформационное упрочнение является эффективным методом упрочнения алюминиевых сплавов и важно для понимания процессов деформационной обработки алюминия с применением больших деформаций, таких как холодные экструзия, волочение и прокатка.

Деформационная обработка алюминия

Деформационной обработкой алюминия называют переработку литого слитка в изделие методами обработки металлов давлением путем его горячей и/или холодной пластической деформации (рис. 1). 

Fig. 1 – Process chain of aluminium sheet production [1]

Два важных аспекта деформационной обработки алюминия
• изменение формы и
• изменение микроструктуры и механических свойств.

Изменение формы

Изменение формы выражается измерением номинальной или истинной деформации [2]:

• Номинальная деформация = ((Исходная толщина – Конечная толщина)/ Исходная толщина) x 100 %
• Истинная деформация = ln (исходная толщина/конечная толщина).

Примечание: ln – натуральный логарифм.

Например, при прокатке фольги толщиной 7 мкм из сляба толщиной 300 мм деформация составляет [2]:

• Номинальная деформация = 99,98 %
• Истинная деформация = 10,7

Изменение микроструктуры и механических свойств

Алюминий как металл состоит из большого количества отдельных зерен или кристаллов; то есть они поликристаллические. Например, типичное зерно или кристалл после горячей обработки плюс холодная обработка и отжиг будут иметь диаметр около 40 мкм. Итак, это типичное зерно содержит многие миллионы элементарных ячеек – порядка  10¹⁵ штук [2] (рис. 2).

Fig. 2 – A typical aluminium grain is of diameter 40μm and
contains many millions of unit cells [2]

В литом состоянии первичные кристаллы вырастают из жидкой фазы. Результирующая микроструктура обычно грубая. Когда металл деформируют, каждое зерно деформируется за счет движения линейных дефектов в кристаллической решетке. Деформация осуществляется скольжением по плоскостям скольжения вдоль направления сдвига (рис. 3). Эти дефекты известны как дислокации (рис. 4). В кристаллах дислокации движутся по определенным кристаллографическим плоскостям (плоскоупакованным плоскостям), известным как плоскости скольжения [2].

Fig. 3 – Each grain deforms by the movement of line defects in the crystal lattice;
deformation is by slip on slip planes along the shear direction [2]

Fig. 4 – Deformation by slip of a dislocation [2]

Механизмы упрочнения алюминия

Алюминий являются пластичным и вязким потому что дислокации могут относительно легко перемещаться через его кристаллическую решетку. Промышленные алюминиевые сплавы намерено упрочняют путем создания различного рода препятствий для движения дислокаций, такими как: 

• Границы зерен
• Другие дислокации (деформационное упрочнение)
• Растворенные атомы (упрочнение раствора)
• Выделения вторичных фаз (ГП) (упрочнение старением)
• Дисперсные частицы (дисперсоидное упрочнение).
  

Некоторые или все из них могут способствовать повышению прочности алюминия и алюминиевых сплавов (рис. 5). 

Fig. 5 – Obstacles to dislocation movement may contribute to the strength of alloy.
Modified Hall-Petch relationship (Here d is the grain size) [2]

Cold and hot working of aluminium

Деформация алюминия и его сплавов при температуре ниже 100 ⁰С считается холодной деформацией [4]. Для этого интервала температуры термически активируемые процессы, которые характерны для горячей деформации, не играют существенной роли.

При температуре выше 100 ⁰С пластическая деформация алюминия сильно зависит от термически активируемых процессов. Поэтому предел текучести зависит от температуры и скорости деформации (вязкопластичность). Для процессов горячей деформации характерны сильный динамический возврат дислокационных структур и низкое напряжение течения.

Cold working of aluminium

Deformation

При пластической деформации алюминия и алюминиевых сплавов при температуре ниже 100 ⁰С явлениями ползучести можно пренебречь. Это означает, что процесс пластической деформации не зависит от скорости деформации. В этом случае предел текучести является приблизительно постоянным при данной температуре. На рисунке 6 показаны типичные кривые «напряжение-деформация» при комнатной температуре для сплавов Al-Mg. Видно, что эти сплавы проявляют высокую скорость деформационного упрочнения с напряжениями течения примерно от 100 до 400 МПа.

Fig. 6 – Typical stress-strain curves of Al-Mg alloys [4]

Cold working microstructure

При холодной деформации количество дислокаций увеличивается, и дислокациям становится все труднее двигаться через решетку. В результате происходит упрочнение металла или деформационное упрочнение. Это означает, что для продолжения деформации требуются более высокие нагрузки, а металл теряет пластичность.

Холодная пластическая деформация контролируется движением дислокаций в кристаллической решетке. По мере развития деформации плотность дислокаций в кристалле увеличивается, а напряжение для продолжения деформации увеличивается за счет взаимодействия подвижных дислокаций со все более плотной сетью дислокаций и даже дислокационной структурой (рис. 7).

Fig. 7 – In aluminium alloys after a moderate amount of cold deformation,
the dislocations are not uniformly distributed but instead they form cells,
with walls of tangled dislocations and interior regions of low dislocation density [2]

Возврат и рекристаллизация нагартованного алюминия

Дислокации можно удалить путем нагревания холоднодеформированного металла до умеренно высокой температуры (отжига), что приводит к умягчению металла и восстановлению его пластичности. Изменения микроструктуры, происходящие при отжиге, называются восстановлением и рекристаллизацией.

При горячей деформации алюминия происходят активные динамические восстановительные процессы: динамическое восстановление или динамическая рекристаллизация. В результате этих процессов металл не упрочняется так сильно, как при комнатной температуре, и, следовательно, для деформации материала требуются меньшие нагрузки (рис. 8).

Движущей силой рекристаллизации является запасенная энергия, обусловленная наличием дислокаций (рис. 9).

Плотность дислокаций можно выразить как суммарную длину линий дислокаций в единице объема материала:

• для отожженного алюминия плотность дислокаций может составлять около 10¹⁰ м^-2
• для сильно холоднодеформированного алюминия плотность дислокаций возрастает примерно до 10¹⁵ м^-2.

Fig. 8 – When a large amount of cold work is followed by annealing,
new grains are formed by the process of recrystallisation [2]

Fig. 9 – The driving force for recrystallisation is the stored energy
caused by the presence of dislocations [2]

Деформационное упрочнение нетермообрабатываемых сплавов

Кривые напряжение-деформация

Алюминиевые сплавы серий 1ххх, 3ххх и 5ххх упрочняются за счет добавления легирующих элементов, которые обычно не проявляют классического упрочнения старением. Микроструктуры этих сплавов обычно состоят из [3]:
• алюминиевых зерен с легирующими добавками в растворе
• частицы соединений размером 1–5 мкм, которые образовались при затвердевании и гомогенизации (Al(Fe,Mn), Al(Mn,Fe)Si и др.) и
• дисперсоиды размером 50–250 нм, распределенные в зернах алюминия.

На рис. 10 показаны кривые напряжения-деформации высокочистого алюминия, алюминия 1100 и алюминиевых сплавов 5005 и 5754, которые испытывались при температуре окружающей среды. Как и можно было ожидать, предел текучести увеличивается с содержанием растворенных легирующих элементов [3].

Fig. 10 – A comparision of (a) the stress-strain response and
(b) the work hardening behaviour for a number of commercial solid solution alloys [3]

Strain hardened tempers

Деформационное упрочнение как технологическая операция

Деформационное упрочнение важно для развития высокой прочности алюминия и алюминиевых сплавов в деформационно-упрочненных состояниях. Многие сплавы используются в деформационно-упрочненном состоянии Н-temper, например сплавы серии 1000 при производстве фольги, заготовки для корпуса пивных банок из сплавов серии 3000 и заготовки для крышки пивной банки из сплавов серии 5000. Целью этих обработок является достижение высоких уровней прочности за счет использования сплава в состоянии холодной прокатки или после холодной прокатки и частичного отжига.

Из-за очень высоких уровней накопленной энергии, достигаемых при холодной прокатке, дислокационная структура может быть термически нестабильной, при этом лист сплава со временем размягчается при комнатной температуре. Чтобы избежать этого, холоднокатаный лист часто подвергают частичному отжигу при низкой температуре для получения некоторого размягчения, но со стабилизацией прочности.

Система обозначений для деформационно-упрочненных состояний

Обозначения отпуска для кованых изделий, упрочняемых деформационным упрочнением, состоят из буквы H, за которой следуют две или более цифры. Первая цифра после H указывала на конкретную последовательность основных операций.

H1, только деформационно-упрочненный

Это относится к изделиям, подвергнутым голенистой закалке для получения требуемой прочности без дополнительной термической обработки. Цифра после H1 указывает на степень деформационного упрочнения.

H2, деформационно-упрочненный и частично отожженный

Это относится к продуктам, которые подвергались деформационному упрочнению в большей степени, чем заданное для готового продукта. Эта “чрезмерная” прочность затем уменьшались до желаемого уровня путем частичного отжига. Цифра после H2 указывает степень деформационного упрочнения, оставшуюся после частичного отжига изделия.

Соотношение деформационно упрочненных состояний Н1Х и Н2Х показано на рисунке 11.

Fig. 11 – Соотношение деформационно упрочненных состояний Н1Х и Н2Х [5]

H3, деформационно-упрочненный и стабилизированный

Это относится к изделиям, подвергнутым деформационному упрочнению, механические свойства которых стабилизированы за счет низкотемпературной термической обработки или за счет тепла, введенного в процессе изготовления. Стабилизация обычно улучшает пластичность. Это обозначение относится только к тем сплавам, которые, если они не стабилизированы, постепенно размягчаются при старении при комнатной температуре. Цифра после H3 указывает степень деформационного упрочнения, оставшуюся после стабилизации.

H4, деформационно-упрочненные и лакированные или окрашенные

Относится к продуктам, которые получили деформационное упрочнение и подвергались нагреву во время
последующей покраски или лакировки. Число, добавленное к H4, указывает количество деформационного упрочнения, оставшееся после покраски или лакирования

Дополнительные цифры после H1, H2, H3, H4

Указывают степень деформационного упрочнения:

• HX8 – самое упрочненное состояние. Добавление цифры 8
• HX4 – степень упрочнения, равная примерно половине от состояния HX8
• HX2 – степень упрочнения посередине между состоянием O и состоянием HX4
• HX6 – степень упрочнения посередине между HX4 и HX8
• Цифры 1, 3, 5 и 7, аналогично, обозначают промежуточные состояния между перечисленными выше
• Цифра 9 используется для обозначения состояния, превышающего состояние HX8 на 14 МПа или более.

 Appendix

“Cold-worked” operations in Heat Treating T Tempers

• T1 – Cooled from an elevated temperature shaping process and naturally aged to a substantially stable condition.
• T2 – Cooled from an elevated temperature shaping process, cold worked, and naturally aged to a substantially stable condition.
• T3 – Solution heat treated, cold worked, and naturally aged to a substantially stable condition.
• T4 – Solution heat treated, and naturally aged to a substantially stable condition.
• T5 – Cooled from an elevated temperature shaping process then artificially aged.
• T6 – Solution heat treated then artificially aged.
• T7 – Solution heat treated then overaged/stabilized.
• T8 – Solution heat treated, cold worked, then artificially aged.
• T9 – Solution heat treated, artificially aged, then cold worked.
• T10 – Cooled from an elevated temperature shaping process, cold worked, then artificially aged.

For tempers T2, T3, T8 and T9 cold working is applied to heat-treatable alloys in order:

• to improve strength after cooling from a hot-working process or solution heat treatment and for which mechanical properties have been stabilized by room-temperature or artifical ageing.

This tempers also applies to products in which the effects of cold work, imparted by flat-tening or straightening, are accounted for in specified property limits.

Источники:  :

1. Aluminium sheet fabrication and processing / J. Hirsch // Fundamentals of aluminium metallurgy – Ed. Roger Lumley – 2011
2. TALAT Lecture 1251 – Mechanical Working and Forming of Shapes /M.H. Jacobs – European Aluminium Association, 1999
3. Work hardening in aluminium alloys / J. Pool et al // Fundamentals of aluminium metallurgy – Ed. Roger Lumley – 2011
4. Design of Aluminum Rolling processes for Foil, Sheet, and Plate /J.H. Driver, O. Engler //Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys – Eds. J.E. Totten, M. Tiryakioglu, O. Kessler – 2019
5. Design of aluminium structures – Introduction to Eurocode 9 with worked examples – European Aluminium Association – 2020
6. Introduction to Aluminum Alloys and Tempers /J. Gilbert Kaufman – ASM International, 2000