退火后終軋壓下量對鋁合金軋板織構(gòu)和深沖性能的影響

夏 柳 徐 春 白清領(lǐng) 王昕宇 武偉超 曹學(xué)成

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418; 2.上海中天鋁線有限公司，上海 201100;3.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201418; 4.北京理工大學(xué)機電學(xué)院，北京100081)

鋁合金具有密度低、比強度高以及加工性能良好等優(yōu)點，因此在交通運輸領(lǐng)域輕量化大趨勢下，鋁合金板材在汽車、航天等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，使用比重也逐年增加[1]。然而鋁合金軋板在成形過程中常常出現(xiàn)制耳等現(xiàn)象，即材料各向異性問題，由此造成沖壓制品壁厚不均及模具的不均勻磨損，從而影響模具使用壽命、降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[2]。研究發(fā)現(xiàn)，材料的各向異性與其在加工變形和退火過程中形成的織構(gòu)密切相關(guān)，存在Cube織構(gòu)與Goss織構(gòu)的鋁合金板材沖壓時通常會形成0°、90°方向的制耳，而存在S織構(gòu)、Copper織構(gòu)、Brass以及R織構(gòu)的鋁合金板材會形成45°方向的制耳。但當(dāng)材料內(nèi)部各種織構(gòu)達(dá)到一定平衡比例，即當(dāng)各織構(gòu)組分的體積分?jǐn)?shù)及它們之間的比例處于某一特定范圍時，板材會表現(xiàn)出較小的各向異性甚至各向同性，板材在沖壓過程中在與軋向成0°/90°和45°方向上會形成8個小制耳甚至不出現(xiàn)制耳。因此如何控制材料織構(gòu)，使產(chǎn)品不同方向的制耳率降低成為鋁合金板材軋制和熱處理工藝的研究熱點[3- 7]。寶磊等[8- 10]研究了軋制總壓下量對織構(gòu)演變的影響，發(fā)現(xiàn)隨著軋制總壓下量的增加，Copper織構(gòu)、Brass織構(gòu)及S織構(gòu)的組分逐漸增加，而Goss織構(gòu)則出現(xiàn)先增加后降低的趨勢；Liao等[11]研究了二次冷軋壓下量對低碳鋼織構(gòu)組分的影響，發(fā)現(xiàn)隨著二次冷軋壓下量的增加，材料中的立方織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)立方織構(gòu)，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)锽rass織構(gòu)。闕石生等[2]研究了主要生產(chǎn)工藝參數(shù)對3003- H14鋁合金帶材制耳率及織構(gòu)的影響，結(jié)果表明，提高熱軋終軋溫度，降低中間退火前冷軋加工率，在原有中間退火前增加一次退火，均有利于增加立方織構(gòu)的含量，減小材料的各向異性，降低制耳率。沈健等[12]研究了中間退火對3004鋁合金板材織構(gòu)和各向異性的影響，結(jié)果顯示，高溫快速退火有利于獲得強烈立方織構(gòu)，大變形量冷軋后仍保留有少量立方織構(gòu)，各向異性較??；而經(jīng)常規(guī)中間退火的板材立方織構(gòu)較弱，冷軋后沒有發(fā)現(xiàn)立方織構(gòu)，沖壓出現(xiàn)與軋向呈45°的制耳。上述研究均著眼于總體軋制壓下量或熱處理方式，或兩者結(jié)合對鋁合金板材織構(gòu)的影響，因此需要多次調(diào)整各道次壓下量及改變熱處理工藝，顯然工作量較大。本文擬僅調(diào)整一個關(guān)鍵軋制道次的壓下量，以實現(xiàn)對鋁合金板材織構(gòu)組分的調(diào)控，進(jìn)而改善材料各向異性，為工業(yè)生產(chǎn)中通過簡單調(diào)整冷軋工藝而達(dá)到控制織構(gòu)的目的。

1 試驗材料及方法

試驗鋁合金的化學(xué)成分如表1所示，熔煉后澆鑄成4塊尺寸為50 mm×120 mm×32 mm的鑄錠。將鋁錠在400 ℃熱軋，經(jīng)9道次熱軋至厚6 mm；空冷至室溫，再經(jīng)4道次冷軋至厚2 mm。為研究退火后終軋壓下量對板材織構(gòu)的影響，將2 mm厚鋁板分別冷軋至1.9、1.8、1.7和1.6 mm厚，并分別標(biāo)記為1～4號，然后將板材在350 ℃退火100 min，空冷至室溫后再一次冷軋至1.2 mm厚。

表1 試驗鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the experimental aluminum alloy (mass fraction) %

將1～4號板材分別沿軋制方向的10°、45°和90°進(jìn)行線切割，獲得如圖1所示的試樣。依據(jù)GB/T 5027—1985及GB/T 5028—1985測量塑性應(yīng)變比(r值)，試驗前分別測量標(biāo)準(zhǔn)試樣的平行長度l0與厚度b0，之后采用CMT5305型微機控制電子萬能試驗機進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。將標(biāo)準(zhǔn)試樣拉伸到均勻塑性變形階段停止試驗，測量拉伸后的平行長度l1與厚度b1，分析試驗數(shù)據(jù)得到材料塑性應(yīng)變比(r值)及凸耳參數(shù)(△r值)。r值的計算公式為：

(1)

圖1 線切割試樣取樣方向Fig.1 Sampling directions for wire- electrode cutting sample

測得3個方向的r值后，再計算塑性應(yīng)變比平面各向異性度(△r)，計算公式為：

(2)

將1～4號鋁合金軋制板材線切割成90 mm×90 mm的方形試樣，放置在GBS- 60B型杯突試驗機上進(jìn)行杯突試驗，獲得杯突值。

將1～4號鋁合金軋制板材線切割成10 mm×6 mm的矩形試樣，對軋制面進(jìn)行拋光處理，再借助日本JEOL公司的Sem7600f高分辨率掃描電鏡對板材進(jìn)行EBSD測試，掃描步長為0.1 μm，分析取向分布函數(shù)(ODF)圖以研究不同終軋壓下量對鋁合金織構(gòu)組分的影響。

2 試驗結(jié)果

2.1 塑性應(yīng)變比(r值)及凸耳參數(shù)(△r值)

表2所示為不同終軋壓下量鋁合金軋板的r值和△r值?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著退火后終軋壓下量的增加，材料在0°與90°方向的r值逐漸減小，但在45°方向的r值先增大后減??；△r值則是在終軋壓下量小于0.6 mm時大于0，大于0.6 mm后小于0，其中壓下量為0.5 mm的3號軋板的△r絕對值最小。已有研究顯示，當(dāng)△r>0時，凸耳出現(xiàn)在0°和90°方向；當(dāng)△r<0時，凸耳出現(xiàn)在±45°方向；△r=0時，不產(chǎn)生凸耳。因此，壓下量為0.5 mm的3號軋板的凸耳最小。

表2 不同終軋壓下量鋁合金軋板的r值、△r值及杯突值Table 2 R value, △r value and cupping value of the aluminum alloy sheet finally rolled to different reductions

2.2 杯突值

隨著退火后終軋壓下量的增加，鋁合金軋板的杯突值先增大后減小，壓下量為0.5 mm的3號軋板的杯突值最大，為7.57。

2.3 織構(gòu)組分

在面心立方金屬ODF圖中，常見的織構(gòu)都在φ2=45°、65°與90°這3個角度，因此對1～4號軋板在φ2=45°、65°與90°的ODF圖進(jìn)行分析，如圖2所示，其中圖2(e)為標(biāo)準(zhǔn)ODF圖。表3為對應(yīng)圖2中主要織構(gòu)組分的強度值，圖3為經(jīng)過OIM軟件處理后統(tǒng)計的不同終軋壓下量軋板的α、β取向線分布。α、β取向線為面心立方織構(gòu)分析中比較重要的兩條曲線，α取向線上主要包括Goss織構(gòu)和Brass織構(gòu)，β取向線上主要包括Copper織構(gòu)、S織構(gòu)及Brass織構(gòu)。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，不同終軋壓下量的鋁合金軋板都存在Cube織構(gòu)、Goss織構(gòu)、Brass織構(gòu)、Copper織構(gòu)以及S織構(gòu)等5種織構(gòu)組分，但各織構(gòu)組分的數(shù)量均隨著終軋壓下量的變化而變化。其中，Cube織構(gòu)強度隨著壓下量的增加而降低，即從15.0降至6.8；Goss織構(gòu)強度隨著壓下量的增加先增加后減小，并在壓下量0.5 mm時有最大值7.9；Copper織構(gòu)強度隨著壓下量的增加而呈減小趨勢，Brass織構(gòu)強度則隨著壓下量的增加整體呈增加趨勢，但在壓下量0.6 mm時兩者都出現(xiàn)了較大的波動；S織構(gòu)在終軋壓下量0.4 mm時消失，但在其他壓下量時又出現(xiàn)，且強度變化不明顯。

圖4為不同終軋壓下量軋板中影響不同方向制耳的織構(gòu)強度。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著終軋壓下量的增加，5種織構(gòu)的強度總量降低，其中，影響45°方向制耳的織構(gòu)強度總量逐漸降低，影響0°與90°方向制耳的織構(gòu)強度總量先上升后下降。從織構(gòu)比例看，影響45°方向制耳的織構(gòu)比例隨壓下量的增加呈先減小后增加的趨勢，并在壓下量0.5 mm時有最小值，比例為1∶1。

圖2 不同終軋壓下量鋁合金軋板的ODF圖Fig.2 ODF patterns of the aluminum alloy sheet finally rolled to different reductions

表3 不同終軋壓下量鋁合金軋板的主要織構(gòu)組分及其強度Table 3 Main texture components and its strength of the aluminum alloy sheet finally rolled to different reductions

圖3 不同終軋壓下量鋁合金軋板的α、β取向線分布Fig.3 Distribution of α and β orientation lines of the aluminum alloy sheet finally rolled to different reductions

圖4 不同終軋壓下量軋板中影響不同方向制耳的織構(gòu)強度Fig.4 Texture severity affecting earing in different directions in sheet finally rolled to different reductions

3 分析與討論

鋁合金的層錯能較高，已有研究證實其軋制后的變形織構(gòu)組分主要為Brass織構(gòu)、Copper織構(gòu)、S織構(gòu)，另外可能還有過渡Goss織構(gòu)等。鋁合金板材經(jīng)大變形軋制后進(jìn)行再結(jié)晶退火時，主要形成Cube再結(jié)晶織構(gòu)、R織構(gòu)以及殘留的部分軋制織構(gòu)等[13- 17]。而本試驗鋁合金經(jīng)多道次熱軋和冷軋后，再進(jìn)行350 ℃保溫100 min的退火處理，因此會得到較多的Cube等再結(jié)晶織構(gòu)。但后續(xù)終軋又會改變織構(gòu)組分，即隨著終軋壓下量的增加，殘留的Cube等再結(jié)晶織構(gòu)逐漸減少，而Brass織構(gòu)、Copper織構(gòu)、S織構(gòu)等變形織構(gòu)不斷增加。因此，當(dāng)終軋壓下量較小即0.4 mm時，會存在較多的Cube等再結(jié)晶織構(gòu)以及軋制產(chǎn)生的Copper織構(gòu)。隨著壓下量的逐漸增加，材料中的儲存能越來越高，此時材料中的織構(gòu)開始通過α與β這兩個取向線進(jìn)行轉(zhuǎn)變。首先Cube織構(gòu)沿軋制方向轉(zhuǎn)變?yōu)镚oss織構(gòu)，然后分裂沿α取向線轉(zhuǎn)變?yōu)锽rass織構(gòu)。與此同時，Cube織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為β纖維織構(gòu)，并且β取向線上織構(gòu)也會相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化順序為Copper→S→Brass[4,13,16]。因此隨著終軋壓下量的增加，材料中的Cube織構(gòu)與Copper織構(gòu)強度逐漸減小，而其他4種織構(gòu)的強度均逐漸增大。此外，軋板中的Cube織構(gòu)與Goss織構(gòu)會造成0°、90°制耳，S織構(gòu)、Copper織構(gòu)、Brass織構(gòu)會產(chǎn)生45°制耳傾向，當(dāng)二者都存在時，可以相互抵消，降低材料的各項異性[3- 7]。由圖4可見，當(dāng)終軋壓下量為0.4 mm時，軋板中以Copper織構(gòu)為主，此時軋板中45°方向制耳較嚴(yán)重。而隨著壓下量的增加，影響45°方向制耳的織構(gòu)比例先減小后增大，因此該方向制耳的程度也先減輕后加重。對制耳織構(gòu)的定量可以通過試驗r值與△r值進(jìn)行分析。

表4為鋁合金中主要織構(gòu)的理論r值與△r值，可以發(fā)現(xiàn)，變形織構(gòu)的r值與△r值的絕對值普遍大于再結(jié)晶織構(gòu)。隨著變形量的增加，5種織構(gòu)的總強度逐漸降低，因此材料的r值也呈降低趨勢。另外，Cube織構(gòu)強度的降低與Brass織構(gòu)強度的升高，使得△r值降低并且負(fù)向增加，這與表2的數(shù)據(jù)規(guī)律一致?！鱮值越小說明材料的各向異性越小，壓下量為0.5 mm的軋板的△r值最小，為0.125，所以其各向異性最小，因此具有最大的杯突值7.57，此時Cube織構(gòu)、Goss織構(gòu)與其他織構(gòu)的強度比例為1∶1(見圖3)。綜合比較發(fā)現(xiàn)，3號軋板(壓下量0.5 mm)的深沖性能最好。

表4 鋁合金中主要織構(gòu)的理論r值與△r值Table 4 Theoretical r and △r values of main textures in aluminum alloy

4 結(jié)論

不同終軋壓下量的鋁合金板材中的主要織構(gòu)為Cube織構(gòu)、Goss織構(gòu)、Brass織構(gòu)、Copper織構(gòu)以及S織構(gòu)，隨著退火后終軋壓下量的增加，Cube織構(gòu)與Copper織構(gòu)的強度逐漸降低且都向Brass織構(gòu)轉(zhuǎn)變，其中Cube織構(gòu)沿著α取向線轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變路徑為Cube→Goss→Brass，而Copper織構(gòu)沿著β取向線轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變路徑為Copper→S→Brass。

隨著終軋壓下量的增加，45°方向制耳的程度先減輕后加重。結(jié)合△r值與杯突值發(fā)現(xiàn)，壓下量為0.5 mm的軋板的各向異性最小，說明當(dāng)Cube織構(gòu)、Goss織構(gòu)與其他變形織構(gòu)的強度比例為1∶1時，材料的深沖性能最好。