刘晨光，王家毅，石宪柱，刘晓滕，迟 蕊，马 钰

(1.淄博德源金属材料有限公司，山东 淄博 255000；2.山东南山铝业股份有限公司 国家铝合金压力加工工程技术研究中心，山东 烟台 265700)

6016铝合金属于Al-Mg-Si系，是可热处理强化铝合金，具有良好的成形性能、烘烤硬化性能和抗腐蚀能力等特点[1-4]，在汽车轻量化中被广泛用作车身覆盖件，尤其是用作车身外板[5-6]。包边工艺是连接车身内外板的重要工序[7]，外板的包边性能通常决定包边产品的质量[8]。板材在包边过程中会发生弯曲变形，伴随着晶粒之间的相互挤压变形，包边性能较差的板材样品则在包边试验过程中因弯曲变形导致样品表面产生严重的橘皮、裂纹等现象。目前，各大用户对包边后产品表面质量要求较高(无裂纹、微裂纹与重橘皮现象)，因此，6016铝合金板材在供货有效期内必须保证有良好的包边性能。

本文作者对某公司生产的1 mm厚6016铝合金板材及包边样品进行组织形貌分析，通过金相显微镜、扫描电镜及透射电镜探究了微观组织对样品包边性能的影响，并根据影响因素调整工艺后进行了生产验证。

1 试验材料及方法

试验样品为某公司送检的6016铝合金板材包边性能较差的A样品、包边性能较好的B样品以及补充C样品。作为本试验的补充C样品，在包边性能影响因素理论探究的基础上，采取改进措施，并进行了实际生产验证。具体改进措施为调整道次压下量以及热处理制度，道次压下量的改变，能够在细化板材晶粒的同时对合金中含铁相等结晶相起到更大的破碎作用；热处理制度的改变，能够保证板材表层的再结晶程度不会过大而造成粗晶，并且适当的热处理方式能够控制样品晶界弥散相析出。C样品是公司在A样品与B样品的生产工艺基础上，采用上述措施设计新工艺生产的样品。

样品包边试验前后的形态如图1所示。图1a为未包边样品的形态，图1b为包边后样品的形态。考虑到相同包边试验条件下，A、B和C样品包边前后三者之间的宏观形态相似，所以图1给出的样品代表A、B和C样品包边前后的形态。利用Axio Imager M2m蔡司光学显微镜对图1a中样品的表面、纵截面与横截面及图1b中虚线标示位置进行金相组织测试，并通过AxioVision软件分别对样品表面、纵截面和横截面的晶粒尺寸进行计算；通过Nova NanoSEM 450场发射扫描电镜与JEM-2100F透射电镜对图1a中样品进行微观组织测试。由于板材0°方向(轧制方向)的包边性能比45°及90°方向的差[9]，所以本试验主要对0°方向样品包边前后的微观组织进行分析。

图1 包边件弯曲试验前后样品的形态

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

图2所示为包边前A、B和C样品的金相组织照片。通过软件对各样品的表面、纵截面和横截面晶粒尺寸进行测试，结果如表1所示。由金相组织照片与晶粒数据统计结果可知，A样品的平均晶粒尺寸大于B和C样品的，且A样品表层与心部晶粒尺寸差异明显；B和C样品表层及心部的晶粒尺寸均匀，且晶粒组织形态较A样品的好。

由表1晶粒尺寸计算结果可知，调整工艺后所生产样品C的表面、纵截面、横截面平均晶粒尺寸与包边性能较好样品B的晶粒尺寸相近。由图2可见，C样品晶粒球形度高，且表面与截面的晶粒形态较为接近。

表1 A、B、C样品的表面、纵截面和横截面晶粒尺寸统计

图3所示为A、B和C样品包边试验后弯曲变形区域的金相组织。在图3a中，A样品包边区域内侧有裂纹出现，外侧未发现明显裂纹，但是外侧表面形貌呈现凹凸不平，如标记区域所示，在宏观上表现为橘皮现象，严重影响板材表面质量。B和C样品包边后未出现明显裂纹，且表面光滑平整(图3b、c)。A样品出现上述现象可能是由于板材表层与心部晶粒尺寸差异较大，且晶粒之间球形度相差较大。导致样品在包边过程中大晶粒内部变形过大、大小晶粒之间协调变形能力差，且在不规则晶粒晶界处发生应变集中，使包边后样品表面出现凹凸不平及裂纹等现象。

板材晶粒尺寸与形态对包边性能有着直接影响。板材晶粒细小均匀，晶界面积增加，晶界上偏析产生的夹杂物相对较少，界面结合力提高，塑性增加；板材表面与心部晶粒尺寸大小接近，良好的组织均匀性以及晶粒的高球形度能够使样品塑性变形均匀，减小了变形过程中的应力集中程度，不易引起微裂纹。C样品为调整轧制道次压下量与热处理制度工艺生产的样品。从图2中B与C样品表纵、横截面金相照片可以见，两者晶粒组织特征较为相似，二者晶粒尺寸均较A样品的小，且表层与心部晶粒尺寸大小接近，均匀性较好。C样品无明显裂纹，且表面光滑平整(如图3c所示)，也证明了C样品包边性能较好。

图2 A、B和C样品包边前的表面、纵截面与横截面金相组织照片

图3 A、B和C样品包边后弯曲变形区域金相照片

通过对板材晶粒组织分析发现，C样品保持了与包边较好的B样品相似的晶粒组织特征，且C样品包边性能同样较好。因此，C样品表明了板材在表面、纵截面和横截面具有良好的晶粒组织均匀性、且晶粒尺寸小(小于30 μm)的特点，有利于改善包边性能。

2.2 微观组织

图4所示为包边效果较差的A样品弯曲变形处的SEM图像。从图4b、c中可以清楚地看出有代表性的裂纹扩展路径及开裂情况，在裂纹附近观察到有粗滑移带。这是由于样品在包边过程中晶粒间的相对运动产生高度变化和表面凹凸不平导致的。此外，还观察到这种晶粒的相对运动会使得一些相邻晶粒垂直于表面移动(即超出表面运动)，这种表面晶粒间的相对运动引起晶界脱粘，进而会形成晶间裂纹。滑移路径的方向在相邻晶粒内是不同的，这与局部的晶体取向差异相关。值得注意的是，裂纹表面由细小的韧窝组成，这是由于应变在弱晶界区域中局部化而形成的。对图4c中的相(箭头标记)进行能谱分析，结果表明该相为富铁相，如图4d所示。上述韧窝的存在表明，非均匀形核晶界颗粒，导致微孔洞的形成、长大和合并，最终发生断裂，这种断裂行为称为晶界韧性断裂，与若干相互竞争或关联的机制有关：①异质成核晶界颗粒的存在；②晶界无析出带的形成；③晶粒内粗滑移带的分布导致应力集中沿着已弱化的晶界发生。

图4 A样品包边试验弯曲变形区域SEM图像

图5为未包边的A、B与C样品的微观组织图像，在图5a、b、c的SEM图像中有标记位置的EDS分析示于图5d、e、f。由图5可知，长条状的相为含铁相(AlFeMnSi)。A、B与C样品拍摄大量SEM照片后，对三种板材中的含铁相平均尺寸进行了统计，分别为4.19 μm、2.69 μm与2.60 μm，包边效果较好的B和C样品中结晶相尺寸明显小于A样品的。第二相粒子尺寸越大，产生裂纹的可能性就越高[10-11]。基于此，分析第二相导致包边开裂的机制如图6所示。在图6a中可以看到含铁相及附近的空洞。在包边过程中，随着弯曲角度逐渐增加，高含铁颗粒处的空洞逐渐扩展变大，如图6b所示。由于在轧制过程中，板材尺寸由厚到薄，含铁相被破碎后其尺寸也由大到小变化。小尺寸含铁相及附近空洞在轧制过程中逐渐被基体包裹与填充，而大尺寸含铁相断裂后附近空洞不易被基体包裹填充，所以轧制结束后大尺寸含铁相附近出现空洞的概率也就变大，更易导致板材在弯曲变形时局部裂纹的发展，从而使样品包边性能及表面不好。

图6 含铁相附近空洞在板材弯曲变形中的扩展机制

由图5c可以发现，C样品中含铁相尺寸与包边性能较好的B样品的接近。对C样品拍摄大量SEM组织照片后未发现明显大尺寸含铁相及含铁相附近的空洞。在板材弯曲变形过程中大尺寸含铁相附近的空洞引起裂纹的可能性变大，并且不规则大尺寸含铁相对组织有割裂作用。C样品具有较好的包边性能，同时微观组织中含铁相尺寸小且分布均匀，所以，C样品的SEM微观组织测试验证了控制合金中含铁相尺寸对改善板材包边性能是有益的。

图5 A、B与C样品的SEM微观组织

图7所示为A、B和C样品的TEM照片。一般来说，6×××铝合金由于合金化程度较低，晶界和晶内的弥散相析出较少。晶界是界面区，晶粒内部与晶界之间存在强度差异，板材弯曲变形过程中，干净的晶界不易造成应力集中，所以晶界附近弥散相析出少有助于强化晶界、改善包边性能。根据大量TEM照片统计可知，B和C样品中晶界附近弥散相析出明显少于A样品的，图7示出有代表性的照片。此外，在一部分A样品晶界处发现了尺度小于1 μm的弥散相，分析此类连续析出的弥散相可能是Mg2Si颗粒，其产生时间贯穿热轧、卷取和固溶冷却阶段，该相的沿晶析出对6×××铝合金的成形和包边性能有弱化作用。

由图7c可知，C样品的TEM微观组织中未发现晶界及其附近有明显弥散相析出，这与包边性能较好的B样品的TEM组织特征相似。虽然TEM组织分析对于大批板材来说不具有完全的代表性，但是通过对包边性能较好的B样品与C样品进行大量的TEM测试分析后发现，C与B样品较包边性能较差的A样品有着更加干净的晶界。C样品证明了干净的晶界有利于改善包边性能。

图7 A、B与C样品的TEM微观组织图像

3 结 论

通过对6016铝合金板材组织分析，探究了晶粒尺寸与组织均匀性、含铁相尺寸以及晶界弥散相对板材包边性能的影响，并且通过对补充C样品的测试分析进一步验证了三种影响因素的确定性，得出以下结论：

1)当6016铝合金板材表面、纵截面及横截面的晶粒组织均匀、细小时，有利于提高样品包边试验弯曲变形过程中晶粒之间的协调性，避免包边样品表面出现凹凸不平的橘皮现象及因应力集中而引起的裂纹扩展。

2)合金中大尺寸含铁相及附近的空洞在样品弯曲变形过程中容易造成空洞扩张，并可能产生裂纹增殖。适当控制含铁相尺寸，有助于减少成品板材中含铁相附近残存的空洞。

3)板材内部晶界析出的弥散相不利于弯曲过程中应力传递，确保晶界及晶界附近干净无弥散相析出则有利于提高板材的包边性能。