Cu-Sn-P合金冷旋壓變形后晶粒尺寸及織構(gòu)分析

鄧愛民，楊久旭，劉 壯

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110870)

旋壓是金屬成形中具有代表性的成形工藝之一，是綜合了鍛壓、擠壓、拉伸等工藝特點(diǎn)的金屬成形工藝[1-2]，可以通過旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出所需要的各種空心旋轉(zhuǎn)體零件[3-6]。關(guān)于坯料外表面塑性變形機(jī)制，已經(jīng)有了很完備的理論體系，代表性的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐文臣課題組[7-8]通過彈塑性有限元方法和組織表征，總結(jié)了鈦合金熱旋壓成型機(jī)理和強(qiáng)-韌性關(guān)系，建立了三維有限元分析力學(xué)模型，提取了旋壓不同階段的應(yīng)力分布和節(jié)點(diǎn)力的分布規(guī)律；分析了旋壓變形中旋輪攻角、進(jìn)給比、道次減薄率等參數(shù)對(duì)旋壓力及三向分力的影響，發(fā)現(xiàn)了熱旋壓過程中微觀的組織變化趨勢(shì)。徐文臣等[9]對(duì)立式對(duì)輪新型旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，采用Solidworks軟件對(duì)各部件和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)了機(jī)床框架增設(shè)加強(qiáng)筋可以有效提高結(jié)構(gòu)剛度和設(shè)備精度；最終制造出徑向承載60kN和軸向承載150kN的立式四對(duì)輪新型旋壓機(jī)，并成功地進(jìn)行了鋁合金筒形件的對(duì)輪旋壓工藝實(shí)驗(yàn)。楊劍等[10]針對(duì)薄壁封頭在傳統(tǒng)中心約束旋壓過程中出現(xiàn)的壁厚不均勻性問題，構(gòu)建了2250mm大型薄壁封頭外環(huán)約束無(wú)模旋壓的1∶1三維有限元模型，研究了進(jìn)給率和旋輪圓角半徑對(duì)旋壓件的壁厚精度影響規(guī)律；結(jié)果表明，在第一道次剪切旋壓中，小的進(jìn)給率和圓角半徑對(duì)目標(biāo)構(gòu)件的壁厚精度有利，在后續(xù)擴(kuò)徑旋壓中，進(jìn)給率和圓角半徑越大，壁厚均勻性越好。M Zhan等[11]研究了帶橫向內(nèi)筋大型復(fù)雜薄壁殼體多道次復(fù)合旋壓的塑性成形過程，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，以鋁合金帶橫向內(nèi)筋大型復(fù)雜薄壁殼體為代表，建立大型復(fù)雜薄壁殼體復(fù)合旋壓全過程仿真平臺(tái)與模型，研究不同條件下大型復(fù)雜薄壁殼體復(fù)合旋壓及其特征結(jié)構(gòu)旋壓過程中的不均勻塑性變形行為和成形缺陷的形成機(jī)理。銅合金因具有良好的延展性，可以通過變形工藝加工成形狀復(fù)雜的工件。魯長(zhǎng)建等[12]研究了Mg對(duì)純銅螺紋管的組織及力學(xué)性能的影響，通過對(duì)不同成分配比的合金進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)和微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)隨著Mg含量增加合金晶粒逐漸減小，合金強(qiáng)度逐漸提高。但對(duì)于銅合金沿厚度方向的冷塑性變形關(guān)系研究較少，因此，本文通過EBSD表征技術(shù)，綜合考慮銅合金沿厚度方向的組織變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用退火態(tài)的Cu-Sn-P合金，其化學(xué)成分見表1?？紤]到Cu-Sn-P合金的旋壓規(guī)律，采用D300重型三輪旋壓機(jī)進(jìn)行旋壓，設(shè)定旋壓工藝的主要參數(shù)為：旋壓件壁厚8mm，半徑為40mm，減薄率約為35%，進(jìn)給比約為0.7mm/r，成形角度為20°；旋輪沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)，主要通過旋輪擠壓改變壁厚，進(jìn)一步影響材料的強(qiáng)度，旋壓后壁厚為3mm，以旋壓外表面為基準(zhǔn)，分別沿旋壓件的外表面(0～1mm)、中間位置(1～2mm)以及內(nèi)表面(2～3mm)進(jìn)行取樣，通過TescanMAIA3掃描電鏡和EBSD進(jìn)行表征分析。

表1 Cu-Sn-P合金元素 wt%

2 結(jié)果與討論

2.1 晶粒尺寸與取向分布

圖1分別為旋壓件沿厚度方向的晶粒取向及晶粒尺寸變化。

圖1 晶粒取向分布

為了更清晰的表征微觀組織，三個(gè)區(qū)域的EBSD數(shù)據(jù)采用了不同的倍率采集。不同顏色代表不同取向，顏色相同代表取向相同。從晶粒取向圖1可以看出，晶粒取向呈隨機(jī)變化，不存在晶粒的擇優(yōu)取向。經(jīng)過旋壓后，由于旋壓件外表面處直接受力，受到環(huán)向應(yīng)力的作用，晶粒被拉長(zhǎng)；又由于受到較大的軸向和切向應(yīng)變的作用，在晶界處存在破碎的小晶粒(圖1a)。圖1b沿厚度的中間部位，因?yàn)閼?yīng)力的傳遞作用，相對(duì)于表面部位，厚度中間受到的三向力減小，且與芯軸給予內(nèi)表面?zhèn)鬟f的應(yīng)力相互抵消，晶粒未被拉長(zhǎng)，沿晶界處破碎。如圖1c，在內(nèi)表面處存在較多的原始晶粒和原始晶界，部分晶界依然呈等軸狀，晶粒尺寸明顯變大。綜上可以發(fā)現(xiàn)旋壓的強(qiáng)化機(jī)制主要是通過應(yīng)變硬化實(shí)現(xiàn)的。

2.2 織構(gòu)分布

對(duì)EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行極圖分析，如圖2所示。

圖2 旋壓后不同位置的極圖分布

通過圖2可以進(jìn)一步證實(shí)，沿厚度方向不同位置的極密度點(diǎn)分布隨機(jī)，極密度值很小，沒有明顯的織構(gòu)特征。由此可以推斷合金的強(qiáng)化與織構(gòu)無(wú)關(guān)。

2.3 晶界角度分布

圖3為旋壓件沿厚度方向上的晶界分布。

圖3內(nèi)綠線代表小角度晶界(Low Angle Boundaries,<10°,LAB)，紅線(10～15°)和黑線(>15°)代表大角度晶界(High Angle Boundaries,HAB)?？梢园l(fā)現(xiàn)，LAB主要分布在大晶粒內(nèi)部。 LAB分布較多的粗晶多為變形晶粒，由于應(yīng)變硬化的作用，位錯(cuò)在粗晶內(nèi)部聚集纏繞，極易攀移為亞晶界[13]。由外表面至內(nèi)表面的方向上，晶粒尺寸逐漸增大。小晶粒逐漸被普通粗晶代替，表現(xiàn)出小角度晶界增加，亞晶界分布越密集。

圖3 小角度晶界分布

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過冷旋壓的Cu-Sn-P在應(yīng)變硬化的同時(shí)，晶粒尺寸沿著厚度方向逐漸減小，內(nèi)表面依然保留部分原始晶粒，厚度方向晶粒尺寸的差異影響了加工硬化組織的分布，旋壓的強(qiáng)化機(jī)制是應(yīng)變硬化。

(2)Cu-Zn-P合金具有Fcc結(jié)構(gòu)且滑移系較多，因此一般織構(gòu)比較微弱。合金經(jīng)旋壓變形后，織構(gòu)沿厚度方向沒有明顯變化，極密度較低，取向呈現(xiàn)出隨機(jī)分布狀態(tài)。