軋制壓下量對犉犲８犃犾合金板材耐蝕性的影響

郭 煒，史 茜，鐘慶東，趙啟亮，張俊良

（上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海２０００７２）

摘 要：采用真空電磁感應(yīng)熔煉制備了Ｆｅ８Ａｌ合金，采用８０％、７０％、６３％和５０％軋制壓下量制成合金板材，最后對４種Ｆｅ８Ａｌ合金板材進行９００℃退火保溫１０ｍｉｎ后水冷的熱處理。采用掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ），拉伸試驗和電化學(xué)試驗對４種Ｆｅ８Ａｌ合金板材的性能進行分析。結(jié)果表明：隨著軋制壓下量的增大，Ｆｅ８Ａｌ合金板的晶粒尺寸逐漸減小；軋制壓下量為８０％時Ｆｅ８Ａｌ合金板材的綜合力學(xué)性能最好；軋制壓下量為６３％時Ｆｅ８Ａｌ合金在５％（質(zhì)量分數(shù)）Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的耐蝕性最好。８０％為Ｆｅ８Ａｌ合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量。

關(guān)鍵詞：Ｆｅ８Ａｌ合金；軋制工藝；顯微組織；力學(xué)性能；電化學(xué)性能

中圖分類號：ＴＧ１７４ 文獻標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１００５７４８Ｘ（２０１７）０５０３７２０５

Effect of Rolling Reduction on the Corrosion Resistance of Fe-8AI Alloy Sheets 

ＧＵＯ Ｗｅｉ，ＳＨＩＸｉ，ＺＨＯＮＧＱｉｎｇｄｏｎｇ，ＺＨＡＯＱｉｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｕｎｌｉａｎｇ

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｐｅｃｉａｌＳｔｅｅｌｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Abstract:Ｆｅ８Ａｌａｌｌｏｙｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｖａｃｕｕｍｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｅｌｔｉｎｇ．Ｔｈｅａｌｌｏｙｓｈｅｅｔｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙ７０％，６３％，

５０％ａｎｄ８０％ｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎｔｈｅＦｅ８Ａｌａｌｌｏｙｗｅｒｅｔｒｅａｔｅｄａｔ９００℃ｆｏｒ１０ｍｉｎｕｔｅｓａｎｄｗａｔｅｒ

ｃｏｏｌｅｄ．ＳＥＭ，ｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ４Ｆｅ８Ａｌａｌｌｏｙｓｈｅｅｔｓ．

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｅｃｒｅａｓｅｄ．ＦｅＡｌａｌｌｏｙｓａｍｐｌｅ

ｗｉｔｈａｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆ８０％ｈａｄｔｈｅｂｅｓｔｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＦｅＡｌａｌｌｏｙｓａｍｐｌｅｗｉｔｈａｒｏｌｌｉｎｇ

ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆ６３％ｈａｄｔｈｅｂｅｓｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎ５％ （ｍａｓｓ）Ｎａ２ＳＯ４ｓｏｌｕｔｉｏｎ．ＴｈｅｂｅｓｔｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒＦｅ

８Ａｌａｌｌｏｙｗａｓ８０％．

Keywords:Ｆｅ８Ａｌａｌｌｏｙ；ｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

０ 引 言

近年來，輕量化、低排放、低成本與節(jié)能等是汽車制造工藝的重點研究方向。輕量化是提高汽車燃油經(jīng)濟性的有效手段，鋁合金的密度較小，可以滿足汽車輕量化的要求，因此鐵鋁合金作為新一代的汽車用鋼替代材料具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)鋁的原子分數(shù)小于１０％時，具有無間隙結(jié)構(gòu)，使其具有類似于無間隙原子鋼（ＩＦ鋼）的優(yōu)良深沖性能［１２］。常用的鐵鋁合金有冷軋或熱軋帶材，其主要特點是電阻率高、硬度高，密度小（６．５～７．２ｇ／ｃｍ３），抗振動和抗沖擊性能良好。同時，由于原材料價格低廉，所以鐵鋁合金作為汽車用鋼具有廣闊的應(yīng)用前景。

軋制是鋼材最常用的生產(chǎn)方式，軋件由摩擦力拉進旋轉(zhuǎn)軋輥之間，受到壓縮進行塑性變形，通過軋制可使金屬獲得一定形狀、尺寸和性能。在軋制過程中，影響材料塑性的因素很多，如軋制壓下量、軋制壓力、軋制溫度、軋輥輥型等。對于冷軋試驗鋼，軋制壓下量是一個重要的影響因素。Ｆｅ８Ａｌ合金為ＦｅＡｌ鐵素體鋼，具有較好的塑性［３６］。本工作研究了鍛造加熱軋開坯之后，Ｆｅ８Ａｌ合金在９００℃下退火并保溫１０ｍｉｎ后淬火工藝條件下，不同軋制壓下量對Ｆｅ８Ａｌ合金顯微組織、力學(xué)性能和電化學(xué)性能的影響。

１ 試驗

１．１ 試樣

    將工業(yè)用９９．９９９９％（質(zhì)量分數(shù)，下同）純鐵和９９．９９９９％純鋁按照設(shè)定的體系配比，采用真空電磁感應(yīng)熔煉制備Ｆｅ８Ａｌ合金。熔煉過程中用Ｃ元素控制真空電磁感應(yīng)爐中 Ｏ元素含量，添加一定量的Ｔｉ元素進行精煉，Ｔｉ元素可以固定 Ｃ、Ｎ 等元素，形成碳化物、氮化物，以形成ＦｅＡｌ無間隙原子結(jié)構(gòu)［７９］。精煉一定時間之后，將熔化得到的液體進行澆注，冷卻后得到Ｆｅ８Ａｌ合金鑄錠，其化學(xué)成分為：狑Ａｌ７．８１％，狑Ｃ ０．００７２％，狑Ｍｎ ０．０１２％，狑Ｐ０．００６，狑Ｓ０．０００５，狑Ｎ０．００２，余量為Ｆｅ。鑄錠冷卻后去除表面氧化皮，經(jīng)過熱軋三道次得到厚度為４．２ｍｍ的板材，終軋溫度為９００℃，空冷至８５℃時進行酸洗，然后室溫冷軋至０．８７ｍｍ、１．３ｍｍ、１．６ｍｍ、２．１ｍｍ等４個目標(biāo)厚度，即４種板材的軋制壓下量分別為８０％（Ａ）、７０％（Ｂ）、６３％（Ｃ）和５０％（Ｄ）。采用馬弗爐對４種板材進行熱處理，工藝為９００℃下退火１０ｍｉｎ后，水冷后備用。

１．２ 試驗方法

１．２．１形貌表征

    沿軋制方向切取試樣，尺寸為１ｃｍ×１ｃｍ，將試樣用水磨砂紙（２４０～２０００號）逐級打磨至鏡面光亮，吹干后用８％（體積分數(shù)，下同）硝酸酒精和過量的苦味酸浸蝕。用ＬＥＩＣＡ ＭＩＣＲＯＳＹＳＴＥＮＳＤＭ６０００Ｍ 金相顯微鏡（ＯＭ）觀察４種試樣的金相組織和形貌。采用 ＨＩＴＡＣＨＩＳＵ１５００掃描電鏡（ＳＥＭ）、色散能譜（ＥＤＳ）等方法研究其凝固組織的斷口微觀形貌、合金的化學(xué)成分分布和偏析情況。

１．２．２力學(xué)試驗

    按照國家標(biāo)準(zhǔn) ＧＢ／Ｔ２２８．１－２０１０《金屬材料拉伸試驗第１部分：室溫試驗方法》切取拉伸非標(biāo)準(zhǔn)試樣（試樣總長３２ｍｍ，柄部寬４．２ｍｍ，平行段長度為２２ ｍｍ），每種板材制備 ３ 個平行試樣。用１０００號砂紙打磨，去除拉伸試樣平行段表面及側(cè)面氧化層。常溫狀態(tài)下，在空氣中利用Ｉｎｓｔｒｏｎ５８４８型微型拉 伸 儀 進 行 拉 伸 試 驗，初 始 應(yīng) 變 速 率 為 ２×１０－３ｓ－１，測量拉伸試樣的流變應(yīng)力和試樣拉斷時的延伸率。

１．２．３電化學(xué)試驗

    電化學(xué)試驗用試樣的尺寸為１ｃｍ×１ｃｍ，試樣工作面用水磨砂紙（２４０～２０００號）逐級打磨至鏡面光亮，非工作面用環(huán)氧樹脂封裝后制成工作電極，將工作電極置于丙酮中超聲清洗去除表面殘余物，再用酒精和去離子水先后清洗后待用。電化學(xué)試驗在ＣＨＩ６６０Ｃ電化學(xué)工作站完成，采用三電極體系，輔助電 極 為 鉑 電 極，參 比 電 極 為 飽 和 甘 汞 電 極（ＳＣＥ），工作電極為試樣。考察４種Ｆｅ８Ａｌ合金試樣在５％（質(zhì)量分數(shù)，下同）Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的電化學(xué)阻抗譜，頻率為１０－２～１０５ Ｈｚ，利用ＺＳｉｍｐＷｉｎ軟件對阻抗譜進行等效電路擬合分析。

２ 結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

    由圖１可見，軋制壓下量越大，合金再結(jié)晶的晶粒越小。這是因為壓下量越大，材料受到的軋制力越大，組織形變越大，組織越均勻。

圖１ 采用不同軋制壓下量制備的Ｆｅ８Ａｌ合金的微觀形貌

Ｆｉｇ．１ ＭｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＦｅ８Ａｌａｌｌｏｙｐｒｅｐａｒｅｄ

ｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｌｌｉｎｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓ

    金屬的變形程度是表征材料變形前與變形后形狀變化大小的參數(shù)，即材料變形量的大小，是決定再結(jié)晶溫度的重要因素之一。金屬的變形量越大，金屬中的存儲能越多，再結(jié)晶的溫度越低，但當(dāng)變形程度增加到一定數(shù)值后，再結(jié)晶的溫度趨于穩(wěn)定值。

    另外形變金屬的晶粒越細小，單位體積內(nèi)晶界總面積越大，位錯在晶界附近塞積，導(dǎo)致晶格強烈扭曲的區(qū)域也越大，可以提供再結(jié)晶形核的場所越多，其再結(jié)晶溫度也越低。

由圖１可知，Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的軋制壓下量為６３％及５０％時，試樣未發(fā)生完全再結(jié)晶仍存在帶狀的纖維組織，說明其再結(jié)晶溫度高于９００℃。且軋制壓下量為６３％的試樣的帶狀組織明顯寬于軋制壓下量為５０％的試樣的。Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的形變越大，得到的晶粒越細小。在熱處理過程中，軋制壓下量越小，再結(jié)晶溫度越高，在退火溫度為９００℃時，軋制壓下量為６３％及５０％的 Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的變形量相對較小，未發(fā)生完全再結(jié)晶，仍存在帶狀的纖維組織。

２．２ 力學(xué)性能

      由表１和圖２可知，軋制壓下量為８０％的Ｆｅ８Ａｌ合金試樣具有最好的力學(xué)性能，這是因為在９００℃，軋制壓下量為８０％時Ｆｅ８Ａｌ合金試樣發(fā)生完全再結(jié)晶。由 ＨＡＬＬＰＥＴＣＨ 關(guān)系式可知：晶粒越細小，材料的屈服強度越大［１０１１］。而軋制壓下量為７０％、６３％、５０％時Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的斷后伸長率相近，這是因為在９００℃退火并保溫１０ｍｉｎ熱處理得到的材料未發(fā)生完全再結(jié)晶。材料中存在大量的未完全再結(jié)晶的帶狀纖維組織，纖維組織的存在大大降低了材料的塑性。由于存在寬大的帶狀纖維組織，軋制壓下量為６３％時 Ｆｅ８Ａ

ｌ合金試樣的斷

     后伸長率低于軋制壓下量為５０％Ｆｅ８Ａｌ的合金試樣的。孫揚善等［９］研究軋制工藝對Ｆｅ３Ａｌ金屬間化合物塑性的影響時指出，冷變形形成的條帶狀纖維組織越寬，材料的塑性越低，這與本試驗得到的結(jié)果一致。

晶粒細化提高了材料的塑性，材料的斷裂強度見式（１）。

式中：犪為斷裂面間距的原子間距；γ為單位面積表面能；犈為彈性模量。

在多晶體的同一體積內(nèi)，晶粒越細小，晶粒數(shù)越多。在斷裂過程中，晶粒由于外加切應(yīng)力的作用，其位錯源開動，產(chǎn)生大量位錯。當(dāng)這些位錯滑移到晶界附近時塞積，引起應(yīng)力集中，使得其周圍晶粒的距

離為犪的位錯源也開動。由彈性理論得出，在與長度為犮的裂紋相距犪 處的應(yīng)力集中為（犮／犪）１／２。此裂紋長度正比于塞積位錯的數(shù)量，因而也就正比于晶粒的直徑犪（－１／２）。因此，晶粒越細，斷裂前的塑性越高，材料的塑性越好。由 ＨＡＬＬＰＥＴＣＨ 關(guān)系式可知，金屬的屈服強度與晶粒大小有如下關(guān)系：σｓ ＝σ０ ＋犓狔犱（－１／２） （２）式中：σ０ 表示晶內(nèi)變形阻力，相當(dāng)于單晶體的屈服強度；犓ｙ 表示晶界性質(zhì)；犱表示晶粒直徑的大小。式（２）表明，材料的屈服強度與晶粒直徑的平方根倒數(shù)成正比。在常規(guī)晶粒范圍內(nèi)，晶粒越細，屈服強度越高，多晶體的強度隨著晶粒的細化而提高，這就是細晶強化的原理。綜上所述，細化晶粒能同時提高材料的強度和塑性。

由圖３可見，軋制壓下量為８０％時，Ｆｅ８Ａｌ合金試樣（Ａ試樣）的斷口存在纖維區(qū)，斷口下端有傾斜角（接近４５°）且存在大量韌窩；而上端小部分類似平齊的斷口，也有少量的韌窩存在，且 Ａ 試樣的斷后伸長率達３４％，因此可以判斷 Ａ試樣的斷裂形式為韌性斷裂。材料按照裂紋擴展路徑分類，可分為穿晶斷裂和沿晶斷裂。穿晶斷裂可能是韌性斷裂也可能是脆性斷裂。而沿晶斷裂則多是脆性斷裂，少數(shù)為韌性斷裂［１２］。由圖３還可見，軋制壓下量為７０％、６３％、５０％時，Ｆｅ８Ａｌ合金試樣以沿晶斷裂為主，伴隨少量等軸韌窩的沿晶韌性斷裂形貌。

２．３ 電化學(xué)性能

由圖４可見，４種試樣的電化學(xué)阻抗譜均呈現(xiàn)出一段畸變的圓弧，但其阻抗值有較大差異且表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，這與它們表面電荷的傳遞過程有關(guān)。

由圖４（ａ）可見，當(dāng)軋制壓下量由８０％遞減至６３％時，Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的圓弧半徑逐漸增大，總阻抗逐漸增大，且在軋制壓下量為６３％的 Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的阻抗值最大，說明在該壓下量下Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的耐蝕性最好。

由圖４（ｂ）可見，４種Ｆｅ８Ａｌ合金試樣均有兩個時間常數(shù)，利用ＺＳｉｍｐＷｉｎ軟件對樣品的電化學(xué)阻抗譜進行等效電路分析，其等效電路如圖５所示，相關(guān)電化學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果見表２。其中犚ｃｔ是能直接反應(yīng)金屬腐蝕速率的參數(shù)，犚ｃｔ越大說明試樣的腐蝕速率越低。

    由表２可見，隨著Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的軋制壓下量由８０％減小到６３％，犚ｃｔ逐漸增大，犆ｄｌ逐漸減小。

    結(jié)合圖１可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過加熱９００ ℃保溫１０ｍｉｎ處理后，軋制壓下量越小，得到的Ｆｅ８Ａｌ合金試樣存

    在未完全再結(jié)晶的帶狀纖維組織越多，而纖維組織的存在使得材料表面產(chǎn)生的鈍化膜更加致密，耐蝕性由此得到一定提高［１３］。此外，隨著軋制壓下量的減小，Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的氣孔、裂縫逐漸減少，晶界、活化點數(shù)和內(nèi)部的儲存能降低，試樣的電化學(xué)活性降低，使Ｆｅ８Ａｌ合金試樣在５％ Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中耐蝕性提高，這與ＫＯＷＡＬＳＫＩ等［１４］的研究結(jié)果相似。隨著軋制壓下量由６３％繼續(xù)減小到５０％，其犚ｃｔ反而有所降低，這是由于當(dāng)壓下量為５０％時，帶狀組織和細化的晶粒不規(guī)則分布，均勻性降低，從而導(dǎo)致Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的耐蝕性降低。

    綜合分析各軋制壓下量Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的力學(xué)性能和耐蝕性可知：軋制壓下量對材料的力學(xué)性能有較大影響，對材料耐蝕性的影響相對較小。其中，８０％軋制壓下量下制得的Ｆｅ８Ａｌ試樣合金的力學(xué)性能最好，斷后伸長率最大（３４％）。而采用６３％軋制壓下量制得的Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的耐蝕性最好，電化學(xué)阻抗最大（３４８５Ω·ｃｍ２），而其斷后伸長率僅為１７％，遠低于采用８０％軋制壓下量制得的Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的。綜合考慮，選擇８０％為Ｆｅ８Ａｌ合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量。

３　結(jié)論

    （１）Ｆｅ８Ａｌ合金在９００ ℃保溫１０ｍｉｎ后水冷的熱處理工藝下，軋制壓下量越大，其晶粒越細小，組織越均勻。

    （２）采用８０％軋制壓下量制得Ｆｅ８Ａｌ合金具有最好的力學(xué)性能，斷后伸長率、屈服強度及抗拉強度分別為３４％、４１５ＭＰａ、５１３ＭＰａ。

    （３）當(dāng)軋制壓下量為６３％～８０％時，隨著軋制壓下量的減小，Ｆｅ８Ａｌ合金在５％ Ｎａ２ＳＯ４ 溶液中的耐蝕性逐漸提高；但當(dāng)壓下量減小到５０％時，Ｆｅ８Ａｌ合金的耐蝕性降低。

    （４）軋制壓下量為８０％時，制得Ｆｅ８Ａｌ合金試樣的力學(xué)性能最佳，且其耐蝕性優(yōu)異，故Ｆｅ８Ａｌ合金軋制工藝制度的最佳軋制壓下量為８０％。

（文章來源:材料與測試網(wǎng)-腐蝕與防護）