微觀組織和織構(gòu)對(duì) H65黃銅帶材折彎性能的影響

莫永達(dá) 張嘉凝 白依可 王云鵬 王虎 婁花芬

摘要：電子產(chǎn)品關(guān)鍵部件小型化對(duì)黃銅合金帶材折彎性能提出了更高的要求。研究了微觀組織和織構(gòu)對(duì) H65黃銅帶材折彎性能的影響規(guī)律和影響機(jī)制。結(jié)果表明：帶材平行于軋向折彎較垂直于軋向折彎更易于產(chǎn)生表面褶皺和裂紋，且隨著折彎半徑的減小，折彎性能降低。折彎變形過(guò)程中帶材外表面易形成剪切帶，所產(chǎn)生的剪切變形是造成表面褶皺和開裂的主要原因。微觀組織不均勻、較強(qiáng)的 Brass 織構(gòu)易導(dǎo)致帶材折彎過(guò)程中產(chǎn)生剪切變形，造成帶材折彎性能下降。通過(guò)調(diào)控?zé)崽幚砉に噥?lái)調(diào)整帶材織構(gòu)，減少或抑制剪切帶的產(chǎn)生，能夠提升帶材的折彎性能。

關(guān)鍵詞：黃銅帶材;折彎性能;微觀組織;織構(gòu)

中圖分類號(hào)： TG 146.4???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effects of Microstructure and Texture on Bending Properties of H65 Brass Sheet

MO Yongda1，2， ZHANG Jianing1，2， BAI Yike1，2， WANG Yunpeng1，2， WANG Hu1，2， LOU Huafen1，2

（1. China Copper Institute ofEngineering and Technology， Beijing 102209， China;2. Kunming Metallurgical ResearchInstitute Co.， Ltd.， Beijing Branch， Beijing 102209， China）

Abstract： The miniaturization of electronic products key components puts forward higher requirements for the bending properties of brass alloy strip. The effects of microstructure and texture on the bending properties of H65 sheet strip were studied. The results show that the bending parallel to the rolling direction is easier to produce surface wrinkle and cracks compared with the bending perpendicular to the rolling? direction，? and the bending properties? decreases with the? decrease? of bending radius. In the process of bending deformation， shear bands are easy to form on the outer surface of the sheet， and the resulting? shear? deformation? is? the? main? cause? of? surface? wrinkles? and? cracks. The? non-uniform microstructure and strong brass texture are easy to cause shear deformation， resulting in the decline of sheet bending performance. It can improve the bending properties of the sheet by adjusting the heat treatmen process parameters to adjusting the sheet texture and reducing or inhibiting the generation of shear bands.

Keywords： brass sheet; bending properties ; microstructure ; texture

隨著通信、汽車和電氣行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)連接器用銅帶材也提出了更高的要求[1-2]。如電線束接插件產(chǎn)品，要求所用銅帶材同時(shí)兼顧沖壓時(shí)的塑性、插拔時(shí)的強(qiáng)度和彈性要求。此外，隨著接插件產(chǎn)品往小型化和輕質(zhì)化方向發(fā)展，客戶對(duì)銅帶產(chǎn)品的彎曲條件也更加嚴(yán)格[3-4]。連接器用銅帶材一般為錫磷青銅帶和 H65黃銅帶材，出于成本考慮，近年來(lái)連接器用高性能低成本黃銅帶材已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。常規(guī)的黃銅帶材雖然滿足高抗拉強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)率指標(biāo)，但其折彎性能仍存在較大的提升空間[5]。因此，有必要對(duì)黃銅帶材折彎性能的影響規(guī)律和影響機(jī)制開展研究，在此基礎(chǔ)上提出改善黃銅帶材折彎性能的控制建議。

黃銅合金具有較低的層錯(cuò)能，在加工變形時(shí)易產(chǎn)生形變孿晶和剪切帶等變形組織[6-9]。由于形變孿晶具有取向依賴性[10-11]，隨機(jī)取向的等軸晶組織各晶粒內(nèi)部產(chǎn)生形變孿晶的幾率和數(shù)量不同，導(dǎo)致各晶粒之間產(chǎn)生顯著的不均勻變形。大變形量加工時(shí)，剪切應(yīng)變主要集中在剪切帶區(qū)域[12-13]，同樣使合金內(nèi)部產(chǎn)生明顯的不均勻變形，剪切帶成為裂紋形核區(qū)域[14]。這些材料內(nèi)部的不均勻變形受材料組織狀態(tài)和織構(gòu)的顯著影響，導(dǎo)致合金的加工性能顯著降低[15]。基于對(duì)黃銅合金塑性變形機(jī)制的認(rèn)識(shí)，本文重點(diǎn)從微觀組織和織構(gòu)的角度，分析兩類因素對(duì)黃銅帶材折彎性能的影響，進(jìn)而提出黃銅帶材折彎性能調(diào)控的相關(guān)措施，為高性能黃銅帶材的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及分析方法

以商業(yè)化銷售的 H65黃銅帶材為原材料，帶材初始狀態(tài)為 H08，厚度為2.4 mm，抗拉強(qiáng)度為753 MPa，伸長(zhǎng)率為7.2%，維氏硬度為216。通過(guò)控制熱處理?xiàng)l件獲取具有不同微觀組織和性能的試樣，根據(jù)相關(guān)資料[16]確定在300、350、400、450℃條件下對(duì)帶材退火1 h，可獲得不同性能的試樣。

熱處理后的試樣經(jīng)線切割取樣和機(jī)械打磨拋光后，用5%FeCl3無(wú)水乙醇溶液進(jìn)行金相浸蝕，采用 Carl Zeiss ScopeA1金相顯微鏡觀察顯微組織。電子背向散射衍射（electron back-scattered diffraction， EBSD）試樣用成分為100 mL? H3PO4+100 mL? C2H5OH+50 mL CH3CH2CH2OH+250 mL H2O 的混合溶液進(jìn)行電解拋光，采用 JSM-7800F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ scanning electron microscope，SEM）的EBSD 系統(tǒng)和牛津全自動(dòng)晶體取向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) Channel 5軟件對(duì)試樣的微觀組織進(jìn)行分析，試樣界面取向差統(tǒng)計(jì)采用步長(zhǎng)0.5μm 進(jìn)行掃描。采用Empyream型 X 射線衍射儀（X-ray diffractometer， XRD）對(duì)試樣的織構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。分別沿帶材的軋向（rolling direction， RD，為試樣拉伸方向與軋制方向平行）、橫向（transverse direction， TD，為試樣拉伸方向與軋制方向垂直）切取力學(xué)性能測(cè)試試樣和折彎試樣。按照 GB/T228—2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶材試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，在 MTS-810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫單向拉伸變形試驗(yàn)，應(yīng)變速率為10?3 s?1，每組拉伸試樣共3個(gè)，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果取其平均值。試樣的折彎變形試驗(yàn)參考 GB/T232—2010標(biāo)準(zhǔn)開展，試樣尺寸為50 mm×20 mm，試樣長(zhǎng)度方向分別為沿帶材 RD 和 TD，相應(yīng)的折彎方向分別為垂直 RD（good way， GW）和平行 RD（bad way， BW）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

不同條件退火處理 H65黃銅帶材試樣的力學(xué)性能如表1所示。從表1中可以看出，同一退火溫度處理的試樣， TD 試樣的強(qiáng)度低于 RD試樣的，而斷后伸長(zhǎng)率高于 TD試樣的。

2.2 試樣的顯微組織

熱處理后， H65黃銅帶材試樣縱截面金相組織如圖1所示。從圖1中可以看出，未退火試樣內(nèi)部主要為纖維狀變形組織;300℃退火后，微觀組織與未退火試樣的相比變化不大;350℃退火后，試樣中纖維狀變形組織減少，部分區(qū)域出現(xiàn)細(xì)小的再結(jié)晶晶粒;450℃退火后，試樣中大部分為再結(jié)晶組織，平均晶粒尺寸約為4μm。

2.3 試樣折彎試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù) GB/T 232—2010標(biāo)準(zhǔn)，使用三點(diǎn)彎曲法對(duì)不同狀態(tài)的 H65黃銅帶材試樣進(jìn)行180°折彎試驗(yàn)，選擇折彎壓頭半徑分別為0.7、1.0、2.5 mm。部分折彎試樣外表面宏觀形貌如圖 2所示。從圖 2中可以看出，隨著退火溫度的升高，試樣抗折彎能力增強(qiáng)。折彎試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

結(jié)合表 2和圖 2可以看出，在相同退火溫度和折彎半徑條件下，試樣沿 BW方向折彎，其折彎外表面形貌變化較為劇烈，易出現(xiàn)裂紋或褶皺。圖3詳細(xì)對(duì)比了試樣沿 BW、GW 方向折彎后的外表面形貌。從圖3中可以看出， 300℃退火處理試樣沿 BW 方向折彎后表面出現(xiàn)連續(xù)貫穿裂紋，沿 GW 方向折彎表面出現(xiàn)斷續(xù)分布的裂紋;350℃退火試樣沿 BW 方向折彎表面出現(xiàn)明顯褶皺，而沿 GW 方向折彎后試樣表面仍保持光滑狀態(tài)。此外，較高退火溫度處理的試樣其折彎后保持較好的外表面形貌，350℃退火試樣無(wú)論沿 GW 方向或 BW 方向折彎均未出現(xiàn)裂紋。說(shuō)明350℃退火試樣的折彎性能優(yōu)于300℃退火試樣的。

圖4為 H65黃銅帶材試樣350℃退火后，在不同折彎半徑條件下，沿 BW方向折彎試樣外表面的形貌。從圖4中可以看出，隨著折彎半徑的減小，試樣表面出現(xiàn)褶皺的數(shù)量增加。

3 分析與討論

（1）試樣折彎處微觀形貌分析

圖 5為沿不同方向、不同折彎半徑條件下， H65 黃銅帶材試樣折彎后的截面微觀組織。從圖 5中可以看出，300℃沿 BW方向折彎試樣發(fā)生嚴(yán)重開裂，幾乎貫穿整個(gè)厚度;而沿 GW 方向開裂程度較小，這與圖 3中的形貌觀察結(jié)果相一致。當(dāng)折彎半徑增大至1.0 mm 時(shí)，試樣未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。對(duì)圖 5中局部區(qū)域進(jìn)行放大，可以發(fā)現(xiàn)斷口開裂方向與變形流線（或帶材表面切線）之間的角度約為45°;折彎半徑為1.0 mm 時(shí)，試樣內(nèi)部出現(xiàn)的局部剪切變形形成了剪切帶，剪切帶與變形流線（或帶材表面切線）之間的角度同樣約為45°。表明試樣折彎開裂行為與試樣內(nèi)部的剪切帶形成存在一定關(guān)聯(lián)性。

對(duì) H65黃銅帶材試樣（300℃-GW，折彎半徑1.0 mm）折彎處截面微觀組織進(jìn)行放大觀察，如圖 5（e）所示，可以觀察到，靠近試樣外表面處形成了大量的微剪切帶，且有相交跡象;剪切帶相交于試樣外表面處出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，與圖4中試樣表面褶皺相對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)，試樣折彎過(guò)程中形成的外表面褶皺或裂紋（見(jiàn)圖5）與試樣內(nèi)部的剪切帶密切相關(guān)。相關(guān)文獻(xiàn)表明，材料內(nèi)部剪切帶的形成與材料原始組織、織構(gòu)等因素有關(guān)。為此，本研究對(duì)不同條件處理的 H65黃銅帶材試樣微觀組織和織構(gòu)做了進(jìn)一步分析。

（2）微觀組織對(duì)折彎性能的影響

H65黃銅帶材試樣經(jīng)300、350、450℃退火1 h 后，內(nèi)部微觀組織（EBSD菊池帶襯度圖）如圖6所示，相應(yīng)試樣經(jīng)折彎后（BW，折彎半徑0.7 mm）的外表面形貌見(jiàn)圖 6上部照片。 EBSD 菊池帶襯度圖顏色深淺反映了試樣內(nèi)部晶格畸變情況，顏色越深表明晶格畸變?cè)絿?yán)重。300℃退火后試樣大部分區(qū)域發(fā)生了再結(jié)晶，平均晶粒尺寸約為3.4μm，但內(nèi)部仍存在晶格畸變嚴(yán)重的條帶狀組織，如圖6（a）方框區(qū)域所示。350℃退火后，試樣局部存在條帶狀組織，表明仍有部分變形組織殘留。450℃退火后，試樣內(nèi)部為等軸晶組織，平均晶粒尺寸約為4.0μm，未觀察到條帶狀變形組織，表明試樣微觀組織較均勻。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13，17]，黃銅合金材料內(nèi)部存在的不均勻組織或晶格畸變嚴(yán)重的組織，變形過(guò)程中易在該處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，并發(fā)展成為剪切帶組織。結(jié)合圖5（e）觀察到的現(xiàn)象，當(dāng)不同取向的剪切帶在試樣表面相交，形成交叉的剪切帶組織，則在相交處進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)力集中，使試樣局部發(fā)生變形失穩(wěn)，產(chǎn)生褶皺，如圖 6（b）所示;如果應(yīng)力集中程度超過(guò)材料的變形極限，則可能導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生和試樣開裂，如圖6（a）所示。以上結(jié)果表明，帶材內(nèi)部的不均勻微觀組織是折彎變形過(guò)程中促使剪切帶形成、相交，并導(dǎo)致褶皺、微裂紋或開裂產(chǎn)生的重要因素。

（3）帶材織構(gòu)對(duì)折彎性能的影響

采用 XRD 對(duì)退火后的 H65黃銅帶材試樣的織構(gòu)進(jìn)行分析。圖7為不同溫度退火處理后試樣的取向分布函數(shù)（orientation distribution function， ODF）圖（φ2=45°）。從圖7中可以看出，300℃退火試樣存在強(qiáng) Brass 織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到2.4。隨著退火溫度的升高，織構(gòu)組分逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?Copper 織構(gòu)，且織構(gòu)強(qiáng)度降低。不同退火溫度試樣的織構(gòu)組分體積分?jǐn)?shù)如表3所示。300℃退火后，試樣的織構(gòu)主要為Brass 織構(gòu)，是典型的低層錯(cuò)能合金冷軋織構(gòu)，表明該溫度下退火的試樣仍部分保持軋制狀態(tài)組織;退火溫度由300℃升高至450℃，試樣內(nèi)部 Brass 織構(gòu)組分顯著降低，Cube 織構(gòu)和 Copper 織構(gòu)組分增加。

Kuroda 等[15]采用晶體塑性有限元方法模擬了面心立方金屬在折彎變形過(guò)程中的變形行為，分析了織構(gòu)對(duì)折彎變形過(guò)程的影響。結(jié)果表明，在同一變形量下， S 織構(gòu)試樣折彎過(guò)程中易在外表面產(chǎn)生剪切帶和應(yīng)力集中; Brass 織構(gòu)試樣外表面易發(fā)生凹陷形成表面褶皺; Copper 織構(gòu)試樣表面雖然存在一定的應(yīng)力集中，但表面褶皺程度較小; Goss 織構(gòu)試樣內(nèi)外表面應(yīng)力分布較均勻，未出現(xiàn)明顯的褶皺。結(jié)合表3中織構(gòu)測(cè)試結(jié)果可知， 300℃退火處理的試樣的織構(gòu)以 Brass 織構(gòu)和 S 織構(gòu)為主，其在折彎變形過(guò)程中易在外表面發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生褶皺和裂紋形核，導(dǎo)致圖6（a）所示的試樣開裂;350℃和450℃退火試樣的織構(gòu)強(qiáng)度較弱，取向接近隨機(jī)分布，試樣外表面應(yīng)力集中程度較弱，能承受較大變形而不出現(xiàn)微裂紋或開裂，如圖6（b）和圖6（c）所示。

（4）H65黃銅帶材試樣折彎性能影響機(jī)制

綜合上述分析，可對(duì) H65黃銅帶材試樣的折彎性能影響機(jī)制進(jìn)行解釋，并提出相應(yīng)的控制建議。從試樣縱截面微觀形貌（見(jiàn)圖5）可以看出，試樣開裂呈現(xiàn)線性特征，且裂紋穿過(guò)多個(gè)晶粒，同時(shí)試樣內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的剪切變形跡象（見(jiàn)圖5d），表明試樣屬于剪切帶開裂而發(fā)生失效。剪切帶的產(chǎn)生屬于非均勻變形，是由于位錯(cuò)滑移大量受阻導(dǎo)致的塑性失穩(wěn)，此時(shí)試樣產(chǎn)生的應(yīng)變主要集中在剪切帶內(nèi)部[16]。試樣折彎過(guò)程中，外表面受到的拉應(yīng)力最大，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到發(fā)生失穩(wěn)變形臨界條件時(shí)，剪切帶優(yōu)先在靠近外表面的區(qū)域產(chǎn)生。剪切帶內(nèi)部發(fā)生的切變量較大，導(dǎo)致處于自由表面的外表面出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，也即形成了表面褶皺（見(jiàn)圖5e）。隨著變形量進(jìn)一步增加，試樣外表面附近形成更多的剪切帶，發(fā)生剪切帶相交，相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到材料強(qiáng)度極限時(shí)則會(huì)產(chǎn)生微裂紋，裂紋擴(kuò)展使試樣發(fā)生開裂或斷裂[18]。

影響剪切帶形成的因素包括析出相、溶質(zhì)原子、層錯(cuò)能、組織均勻性、織構(gòu)等[19-20]。析出相和溶質(zhì)原子在一定程度上會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)化，但對(duì)于 H65黃銅合金這一溶質(zhì)原子濃度一定的單相合金，兩者對(duì)位錯(cuò)滑移的影響程度變化不大。層錯(cuò)能顯著影響合金的變形機(jī)制， Cu-Zn 合金屬于典型的低層錯(cuò)能合金，變形過(guò)程中不易發(fā)生交滑移，易產(chǎn)生形變孿生，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致剪切變形[21]。組織均勻性對(duì)剪切帶形成的影響主要體現(xiàn)在試樣內(nèi)部的應(yīng)力集中上，即不均勻的組織在變形過(guò)程中需要開動(dòng)更多的滑移系以協(xié)調(diào)變形，增加了開動(dòng)位錯(cuò)滑移的難度、加劇了位錯(cuò)塞積，導(dǎo)致應(yīng)力集中和塑性失穩(wěn)，促使材料內(nèi)部發(fā)生剪切變形。織構(gòu)也會(huì)顯著影響剪切帶的形成，因?yàn)椴煌棙?gòu)組分的晶粒內(nèi)部開動(dòng)滑移系的數(shù)量不同[22]。

本研究條件下，試樣的寬度（25 mm）遠(yuǎn)大于試樣的厚度（2.4 mm），試樣折彎過(guò)程中近似處于平面應(yīng)變狀態(tài)。根據(jù) Kaneko 等[23] 的研究，在平面應(yīng)變狀態(tài)下，沿帶材 BW 方向進(jìn)行折彎，不同織構(gòu)試樣發(fā)生剪切變形并出現(xiàn)外表面褶皺由易到難的排序?yàn)?Brass 織構(gòu)、Goss 織構(gòu)、S 織構(gòu)、Copper 織構(gòu)和 Cube 織構(gòu);沿帶材 GW 方向進(jìn)行折彎，產(chǎn)生剪切變形并出現(xiàn)外表面褶皺由易到難的排序?yàn)?Brass 織構(gòu)、S 織構(gòu)、Copper 織構(gòu)、Goss 織構(gòu)和 Cube 織構(gòu)。研究[24]發(fā)現(xiàn)， Cube 織構(gòu)可以顯著抵抗應(yīng)變局部化或變形失穩(wěn)，抑制剪切帶的形成，因而具有這一織構(gòu)的材料沿各個(gè)折彎方向均具有較優(yōu)的折彎性能。可通過(guò)合理調(diào)控形變熱處理工藝參數(shù)調(diào)整帶材織構(gòu)，減少或抑制剪切帶的產(chǎn)生，從而提升或控制 H65黃銅帶材的折彎性能[25]。

4 結(jié)論

（1）H65黃銅帶材試樣平行于軋向折彎較垂直于軋向折彎更易于產(chǎn)生表面褶皺和裂紋，且隨著折彎半徑的減小折彎性能降低。

（2）試樣折彎變形過(guò)程中易在試樣外表面形成剪切帶，所產(chǎn)生的剪切變形是造成表面褶皺和開裂的主要原因。

（3）微觀組織不均勻、具有較強(qiáng)的 Brass 織構(gòu)導(dǎo)致試樣折彎變形過(guò)程中易于產(chǎn)生剪切帶，造成帶材折彎性能下降。

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