伴随着汽车工业的飞速发展，近年来通过减轻汽车车身板质量而减少汽车整体质量，以此来提高燃油效率、减少尾气排放，引起了人们的极大关注^[1-3]。在所有轻质材料中，铝合金因其优异的综合性能和高环保性越来越受到人们的青睐^[4]。当前国内外研究人员对汽车车身铝合金板材的研究主要集中在Al-Cu-Mg(2×××系)、Al-Mg(5×××系)和Al-Mg-Si(6×××系)三大系列^[5]。6×××系铝合金的主要合金成分为Mg和Si，是可热处理强化合金，它兼具2×××系的烤漆硬化性能与5×××系高成形性能于一体，尤其是在冲压后仍然保持较高的表面质量，被广泛应用在车前盖、车门外盖、行李舱盖等部位。6×××系铝合金板材在轿车上的应用比例日益提高，尤其是经过处理的6×××系铝合金板材，能够很好地满足汽车对壳体的要求，用作车身框架材料。然而6×××铝合金在应用过程中仍然存在各向异性较强、冲压成形性能较差、烤漆硬化强度较低的问题，这成为制约汽车铝合金轻量化快速发展的重要障碍之一^[5-6]。大量研究结果表明^[7-10]，6×××系合金的成形性能除了与材料本身的合金元素组成相关外，还受材料制备加工过程的影响。在6×××系铝合金板材的制备加工过程中，通常会在冷轧工序间增加中间退火，这是因为金属材料在经过一次冷变形后会产生加工硬化，为利于后续加工，需要进行一次退火以消除部分加工硬化现象。其中许多因素可能影响合金的组织，如中间退火时间、中间退火温度和冷轧形变量等^[11-12]。现有的研究多集中在中间退火对板材组织和性能的影响，对于3×××系和5×××系铝合金，加入中间退火工艺能够弱化织构，并提高冲压成形性能^[13-14]。中间退火对5182铝合金带材性能影响的研究表明，板材不进行中间退火时，其烘烤性能和力学性能都可以满足使用要求，但是后续变形困难^[15]。Engler等^[16]发现，经历了由固溶和水淬处理组成的中间退火处理后，第二相颗粒可以使AA6016合金具有非常弱的再结晶织构，提高成形性能。Wang等^{[11-12, 17]}的研究指出，随中间退火保温时间的延长，AA6111铝合金的塑性应变比和成形性能会得到一定的提高。

本工作通过比较6A16铝合金板材在相同的中间退火工艺下T4P态的显微组织、性能及加工过程中的组织演变，研究中间退火前不同的冷轧变形量对汽车车身板用6A16铝合金板材的组织形貌、塑性应变比r及加工硬化指数n的影响，为开发成形性能更好的汽车用6×××系铝合金板材提供理论依据。

1 实验材料与方法

实验材料为6A16铝合金铸锭，其名义成分(质量分数/%)为Si 0.6~1.2，Cu 0.02~0.20，Mn 0.01~0.25，Mg 0.7~1.3，Zn 0.25~0.8，Fe≤0.40，Cr ≤0.10，Ti≤0.15，其余为Al。铸锭经均匀化退火处理后热轧至6.0 mm，获得热轧态板材，然后对其进行冷轧变形。为了研究中间退火前的冷轧变形量对6A16铝合金板材组织、织构和成形性能的影响，分别在冷轧变形量为41.67%，53.33%和66.67%时以30 ℃/h的升温速率加热至420 ℃、保温2 h的中间退火处理，分别记为工艺1，工艺2和工艺3，最后冷轧至0.95 mm厚的薄板。将冷轧态板材进行550 ℃/2 min固溶处理和降温预时效处理(T4P)，降温预时效温度范围为90~40 ℃，降温速率为1.40 ℃/h。

将样品磨制、抛光至表面基本无划痕，采用电解抛光进行加工，利用JSM-7001F场发射环境扫描电子显微镜上配备的EBSD组件进行电子背散射衍射测试，观察区域面积为800 μm×600 μm，扫描步长为2.0 μm，并用HKL-Channel5软件分析再结晶和大、小角度晶界比例；使用CMT5105型万能试验机进行准静态单轴拉伸实验，拉伸速率为3 mm/min，按照GB/T 228.1－2010标准进行加工，取与RD方向分别成0°，45°，90°的试样进行拉伸实验，测试10%应变下的塑性应变比r_10%值和10%~20%应变下的加工硬化指数n_10%~20%值。

2 结果与分析 2.1 中间退火前冷轧变形量对退火态组织的影响

图 1为6A16铝合金热轧态组织晶界重构图。可以看出，6A16合金热轧态显微组织主要由变形组织、再结晶晶粒和亚结构组成。经过热轧变形后，合金的1/2厚度处和1/4厚度处具有明显变形态组织特征，晶粒呈伸长纤维状的带状组织，晶界比较模糊，形成了平行于轧制方向的取向带，组织细小，大部分晶粒尺寸并无太大差异。沿板材厚度方向，1/2厚度处和1/4位置处的晶粒组织比较均匀。图 2为6A16铝合金热轧态晶粒取向差分布图。可知，热轧后板材组织中取向差大部分分布在小角度区间内，表示变形程度的2°~5°晶内取向差的比例较高，微观晶粒取向为典型的变形态取向。同时，由于合金材料在热轧变形过程中会发生动态回复和动态再结晶过程，在轧制力作用下，均热态组织中的晶界及第二相破碎且发生移动，导致位错增值，形成变形组织和亚结构。在本实验中，合金晶粒的再结晶长大过程未充分进行，观察到的主要为动态回复组织，所以观察到的组织大部分没有进行再结晶过程，晶界比较模糊，组织也比较细小。

图 3~5为不同冷变形量合金经相同中间退火处理后的微观组织EBSD形貌图。可以看出，中间退火处理后，合金发生了不完全再结晶，形变组织均已被拉长的晶粒组织所取代。大部分晶粒都沿轧制方向拉长，形成扁平状晶粒，但是被拉长的程度明显弱于热轧态板材，并且存在少量尺寸小于扁平晶粒的等轴晶，反极图中也明显看出晶粒取向分布中立方取向所占比例最大。

结合EBSD形貌和对应的分析可以看出，从工艺1到工艺3，退火态晶粒尺寸呈递减趋势，平均晶粒尺寸分别为132.6，89.4 μm和86.6 μm，而在中间退火前3种工艺样品的压下量分别为41.67%，53.33%，66.67%，说明中间退火前的冷轧变形量越大，在进行中间退火处理后晶粒的尺寸越小。这是由于大的变形量会导致晶粒破碎更为严重，使得退火时的再结晶有了更多的形核点，以至于再结晶晶粒的数量增多，尺寸减小。同时，冷轧变形量增加导致变形储能也增大，在相同退火制度下更易发生完全再结晶。随退火前冷轧变形量的增加，退火后立方取向的面积分数降低，大角度晶界的比例升高，完全再结晶分数增加，晶粒尺寸减小。

2.2 中间退火前冷轧变形量对冷轧态组织的影响

表 1为中间退火前不同冷轧变形量合金板材的冷轧态组织EBSD数据分析。图 6为6A16铝合金冷轧态组织晶界重构图。可以看出，冷轧态组织与热轧板的显微组织类似，板材内部显微组织呈现伸长的带状结构，具有明显变形态组织的特征。

图 7为6A16铝合金冷轧态晶粒取向差分布图。可以看出，冷轧后，在晶粒内部出现较多的界面，经分析可知该界面为小角度位错界面，是变形过程中晶粒尺度内产生大量位错，通过滑移、攀移等运动发生位错聚集形成的界面，使材料的亚结构发生变化，这种位错界面随中间退火前变形量的减小而呈现越来越密集的趋势，而大角度界面多为原始变形晶粒的晶界。且相较于其他两种工艺，中间退火前变形量最小的工艺1的平均晶粒尺寸最小，这是由于工艺1在退火后的累积变形量最大。随着退火前冷轧变形量的增加，冷轧态板材的晶粒尺寸逐渐增加，小角度晶界的比例升高，表示变形程度的2°~5°晶粒取向差分数增加，说明变形程度逐渐增大。

2.3 中间退火前冷轧变形量对T4P态组织及成形性能的影响

图 8~10为中间退火前不同冷轧变形量合金板材在T4P处理后的EBSD组织形貌图。可知，经过T4P处理后的再结晶晶粒组织主要为清晰可见的等轴晶，不同变形量板材组织基本上都发生了完全再结晶，生成了无畸变的新晶粒，组织较为细密，但其晶粒尺寸较为均匀，且晶粒没有发生异常长大。由于存在部分未固溶到基体的第二相，这些第二相粒子往往成为再结晶形核的中心，使得周围晶粒的尺寸较大，导致不同晶粒的尺寸存在一定差异。

表 2为合金T4P态组织EBSD数据。可知，由于轧制变形量的不同，T4P态样品的平均晶粒尺寸存在一定差异，三者的平均晶粒尺寸分别为50.6，43.1 μm和48.5 μm。工艺1和工艺2由于中间退火前变形量较低，应变储能较小，导致退火过程中析出第二相的尺寸较小，且中间退火后的冷轧变形量较大。随着二次冷轧变形量的增加，晶粒内部更容易产生亚结构，就会有更多的小角度晶界，而这些区域储存着更多的能量；在固溶处理时，储存能更高的大变形量样品会更快、更完全地发生回复和再结晶过程，所以工艺1的大角度晶界比例最高，即样品再结晶程度最高。中间退火后的冷轧变形量较大使得板材整体应变储能较高，固溶处理过程中板材整体的再结晶形核率较大，且由于析出相尺寸细小，其对再结晶晶粒长大还会起到一定的阻碍作用^[18]，最终板材晶粒尺寸相对较为细小。同时，工艺3的二次冷轧压下量较小，以至于部分中间退火后留下来的再结晶晶粒还没有破碎，而是在连续退火后继续发生长大，所以相较于其他两种工艺需要重新形核再结晶长大的晶粒来说，工艺3使得板材形成了相对较粗大的晶粒组织。晶粒大小及其分布的均匀性是再结晶退火组织的重要特征，直接影响材料的使用性能以及表面质量等。工艺2的晶粒相对较为均匀，再结晶程度最高。中间退火前冷轧变形量为66.67%时，板材的大角度晶界比例最高，说明再结晶程度相对较低，且平均晶粒尺寸最大。

加工硬化指数n值和塑性应变比r值是衡量合金成形性能优劣的重要指标^[19]。n值越高，表明合金抵抗不均匀变形的能力越大，即合金越不容易失稳断裂。r值越大，则材料的抗减薄能力越强，且更趋近各向同性，因此，成形性能越好。表 3为退火前不同冷变形量合金T4P态的成形性能数据，其中，n_ave=(n_10%-20%^0°+2× n_10%-20%^45°+n_10%-20%^90°)/4，r_ave= (r_10%^0°+2× r_10%^45°+r_10%^90°)/4。可以看出，3个方向上的加工硬化指数n_10%~20%值差异不大，塑性应变比r_10%值在45°方向上明显低于0°和90°方向。冷变形量对n_10%~20%值无影响，而随着冷变形量的增加，r_ave值呈增加的趋势。由此可见，当中间退火前分配轧制压下量多，中间退火后分配压下量少时，更加有利于成形。在本实验范围内，确定中间退火前适宜的冷轧变形量为66.67%。

3 结论

(1) 随退火前冷轧变形量的增加，退火后的晶粒尺寸减小，大角度晶界的比例升高，完全再结晶比例增加。

(2) 冷轧后板材组织具有明显变形态组织的特征，随着退火前冷轧变形量的增加，晶粒尺寸逐渐增大，小角度晶界的比例升高，变形程度逐渐增大。

(3) 经过T4P处理后，随冷变形量的增加，晶粒尺寸逐渐增大，r_10%值呈增加的趋势，n_10%~20%值不变，说明6A16铝合金的成形性能有所提高。在本研究范围内，中间退火前适宜的冷轧变形量为66.67%。