深沖紫銅各向異性及織構(gòu)相關(guān)性分析

李學(xué)帥，郭麗麗，張建波，王海斌，鄭殿水

（1. 中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司，山東 臨清252600；2. 江西理工大學(xué)工程研究院，江西 贛州341000）

運(yùn)用于汽車深沖制件、五金等領(lǐng)域的銅板帶材，在其加工成零件時(shí)均需要經(jīng)過沖壓成形，而沖壓成形件的成品率主要取決于母材的成形性，也就是深沖性能。深沖性能是金屬材料對(duì)沖壓加工的適應(yīng)能力，影響金屬材料深沖性能的主要因素有塑性應(yīng)變比r 和平面各向異性系數(shù)Δr。其中，塑性應(yīng)變比r 反映的是金屬材料在平面內(nèi)承受拉力或壓力時(shí)，材料抵抗變薄或變厚的能力（表示板材各向異性參數(shù)）；平面各向異性系數(shù)（塑性應(yīng)變比各向異性度）Δr 反映的則是板面上各方向上r 波動(dòng)程度[1-2]。

對(duì)于T2紫銅帶而言，在其沖壓過程中需要考慮平均塑性應(yīng)變比r=（r0+2r45+r90）/4 以及塑性應(yīng)變比各向異性度Δr=（r0-2r45+r90）/2。r 值在面內(nèi)的分布狀態(tài)對(duì)于板材在沖壓成形過程中的變形有很大的影響，塑性應(yīng)變比r 值越大，材料越不容易在厚度方向發(fā)生變形，即越有利于深沖性能。Δr 表示材料在厚度方向上各向異性系數(shù)r 在面內(nèi)隨方向變化的波動(dòng)程度，影響的是材料在面內(nèi)的塑性流動(dòng)規(guī)律，而與板材成形性能無關(guān)[3]。但Δr 的大小決定了圓筒拉深突緣制耳形成情況，即材料的Δr 的絕對(duì)值越大，其各向異性越嚴(yán)重，越不利于深沖加工。

反映材料各向異性的另外一個(gè)參數(shù)是平面各向異性指標(biāo)IPA[4]（式中簡記為IIPA），可用公式表示：

式中：X 表示抗拉強(qiáng)度和延伸率的測量值，通過IPA的計(jì)算可以看出各測量值在各方向上差異的大小，從而反映出材料各個(gè)方向上的性能差異。

金屬板材的塑性應(yīng)變比r 是描述金屬板材深沖性能的重要參數(shù)，r 值越高深沖性能越佳[5]。本文主要研究深沖板材的織構(gòu)類型、產(chǎn)生途徑及其與塑性應(yīng)變比之間的關(guān)系，對(duì)消除深沖制耳等缺陷提出了建議。

1 實(shí)驗(yàn)過程

采用半連續(xù)鑄造制備尺寸為630mm×280mm的T2紫銅板材，經(jīng)熱軋銑面后試樣的厚度為14.5mm。選取18 卷T2紫銅，每6 卷作為一組，采用不同形變熱處理工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體工藝見表1。試樣經(jīng)不同的形變熱處理后的厚度為0.5mm，隨后采用相同的工藝進(jìn)行熱處理。

表1 形變熱處理工藝Table 1 Test protocol process requirements

采用100 kN 電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測試，并采用牛津電制冷能譜儀X-act10 以及牛津電子背散射衍射儀EBSD 對(duì)試樣微觀組織進(jìn)行分析[6-7]。用于EBSD 的樣品是在濕法研磨和分級(jí)拋光之后，再進(jìn)行電解拋光制備而成的。

為了研究不同軋程的加工率對(duì)塑性應(yīng)變比、織構(gòu)的影響，平面各向異性系數(shù)的大小。3 個(gè)方案所選定的開坯加工率、 在制加工率及成品加工率均不同，但是熱處理工藝是一樣的。方案1 采用預(yù)精軋大加工率，精軋小加工率；方案2 是采用預(yù)精軋小加工率，精軋大加工率；方案3 是增加粗軋開坯加工率，軋程由3 個(gè)減少至2 個(gè)。

軋制變形主要是沿著軋制方向，在滑移幾何學(xué)中拉伸變形中晶軸最終取向?yàn)椋?12＞，而黃銅織構(gòu){011}＜211＞[10]是由于2 個(gè)滑移系在平面應(yīng)力條件下，拉伸和壓縮軸受剪切應(yīng)力的作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

對(duì)每一種方案的T2紫銅帶進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和延伸率檢測，平面各向異性指標(biāo)見表2。

從表2 中可以看出方案3 試樣的抗拉強(qiáng)度較其他兩個(gè)方案的大，這是由于方案3 試樣的開坯粗軋的加工率大，試樣產(chǎn)生了劇烈的加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致其強(qiáng)度和變形抗力大幅增加。但在隨后的熱處理過程中，無法完全消除這種加工硬化，這或許是方案3 試樣強(qiáng)度較高而延伸率偏低的原因。當(dāng)隨著變形量增大，平均晶粒尺寸未顯著減小，小角度晶界比例略有下降，強(qiáng)度略有上升[8-9]。從上面3 個(gè)方案可以看出，方案1 中平面各向異性系數(shù)IPA 值最小，表明方案1試樣在各個(gè)方向上的性能差異最小，即深沖加工性能較優(yōu)。

表2 不同方案試樣力學(xué)性能及平面各向異性系數(shù)Table 2 Three schemes mechanical properties and plane anisotropy coefficient

2.2 塑性應(yīng)變比與制耳率

板材沖壓成形是幾何、物理和邊界3 個(gè)非線性相關(guān)因素相互影響的復(fù)雜過程。金屬板材在預(yù)加工和軋制過程中會(huì)產(chǎn)生明顯的各向異性，這種各向異性對(duì)其成形規(guī)律有著顯著的影響。在拉深成形過程中，突緣出現(xiàn)制耳、 沖壓件斷裂和極限成形高度的改變等現(xiàn)象，這都與板材存在各向異性而致使其在成形過程中塑性流動(dòng)發(fā)生改變相關(guān)。

制耳高度和制耳率是衡量金屬板塑性平面各向異性的指標(biāo)，公式如下：

沖杯后制耳示意圖見圖2。

形變熱處理工藝對(duì)紫銅再結(jié)晶行為具有重要的影響，熱處理后再結(jié)晶織構(gòu)主要是立方織構(gòu)，經(jīng)過冷加工后，織構(gòu)組成發(fā)生明顯變化，轉(zhuǎn)變?yōu)辄S銅織構(gòu)[10-13]。通過對(duì)不同形變熱處理工藝試樣進(jìn)行深沖試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)如表3 所列。

表3 不同方案試樣對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變比及各向異性參數(shù)Fig. 3 Corresponding plastic strain ratio and anisotropy parameters of the three schemes

由表3 可知，方案2 和方案3 試樣在0°、90°方向上的r 值較高，這表明其在深沖過程中沿軋制方向及垂直軋制方向上的收縮較大，易產(chǎn)生四耳效應(yīng)。而方案1 試樣在45°方向上的r 值較高，易產(chǎn)生雙耳效應(yīng)。此外，方案1 試樣的r 值絕對(duì)值較大，即板材深沖時(shí)不易減薄，深沖性能較好[14]。由于制耳參數(shù)Δr 越大，深沖過程中材料產(chǎn)生制耳效應(yīng)的趨勢越明顯，故制耳參數(shù)Δr 與深沖材料的制耳效應(yīng)密切相關(guān)。方案1試樣的Δr 最小且r 為負(fù)，制耳率Z 最小，說明其深沖性能優(yōu)于方案2 和方案3 試樣的； 而方案3 試樣的Δr 最大，表明其沿板面的塑性各向異性較為明顯。

2.3 板材織構(gòu)

為了改善紫銅的表面質(zhì)量，可通過分析紫銅表面凹坑處織構(gòu)，提升紫銅帶性能[15-17].由表3 可以看出方案2 和方案3 織構(gòu)結(jié)果一致，借助X 射線衍射儀對(duì)方案1 和方案2 試樣進(jìn)行了{(lán)011}，{100}，{112}測定[18]，測量中采用Cu Kа 輻射，測傾角a 和旋轉(zhuǎn)角β均為連續(xù)掃描，每隔5°取一平均值，然后通過ODF分析法對(duì)2 種試樣的織構(gòu)進(jìn)行了定量的分析。圖3 所示為方案1 試樣分析所得晶粒取向分布函數(shù)0°到90°截面圖，ODF 截圖表明在0°、45°和90°方向上分別存在黃銅織構(gòu)及Brass {011}＜211＞立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞。

從圖3 中ODF 截圖可以看出形成的織構(gòu)組主要包括黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞，立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞和高斯織構(gòu)Goss{011}＜100＞，圖3 中顯示密度曲線分布具有一定的規(guī)律性。通過對(duì)織構(gòu)組分含量的計(jì)算，利用織構(gòu)計(jì)算軟件texture calc Version 計(jì)算織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)見表4。

從表4 中可以看出，在方案1 試樣中的織構(gòu)由黃銅織構(gòu)Brass、立方織構(gòu)Cube、高斯織構(gòu)Goss 組成，3 種織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)分別為10.69%，9.75%和5.12%。方案1 試樣的高斯織構(gòu)含量較低，是由于其在熱處理的過程中，純銅組織出現(xiàn)孿晶后的晶粒取向轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚刮幌?，且孿晶層較薄，在垂直于層面上的滑移受阻，所以高斯織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)較低[19]。圖4 所示為方案2 試樣X 射線衍射后所得ODF 截圖。由圖4 所示可知，由再結(jié)晶引起的立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞的含量與形變引起的黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞含量幾乎一致，所以在對(duì)紫銅帶進(jìn)行深沖時(shí)，0°和90°方向上的立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞與45°方向的黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞發(fā)生相互抵消，一定程度上消除了紫銅帶的各向異性。

表4 方案1 試樣織構(gòu)組成及其體積分?jǐn)?shù)Table 4 Main texture components and volume fractions of finished copper products in scheme one

與方案1 試樣織構(gòu)類型相同，方案2 試樣形成的織構(gòu)主要包括銅型織構(gòu)Copper{112}＜111＞，黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞，立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞和高斯織構(gòu)Goss{011}＜100＞。此外，圖4 中顯示的密度曲線分布具有一定的規(guī)律性。在大變形條件下，銅型織構(gòu)Copper{112}＜111＞晶向易產(chǎn)生孿生，純銅孿生后的晶體會(huì)轉(zhuǎn)向高斯織構(gòu)，孿生對(duì)它的形成其關(guān)鍵作用，是銅型織構(gòu)向黃銅織構(gòu)轉(zhuǎn)變的力量來源。通過對(duì)織構(gòu)組分含量的計(jì)算，利用織構(gòu)計(jì)算軟件texture calc Version 計(jì)算織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)如表5 所列。

表5 方案2 試樣主要織構(gòu)組成及其體積分?jǐn)?shù)Table 5 The main texture components and volume fraction of the finished copper product in scheme two

從表5 中可以看出，方案2 試樣中銅型織構(gòu)Copper{112}＜111＞，黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞，立方織構(gòu)Cube{100}＜100＞，高斯織構(gòu)Goss{011}＜100＞4 種織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)分別為14.71%，13.29%，5.13%和4.89%。經(jīng)證實(shí)，＜100＞立方織構(gòu)和高斯織構(gòu)對(duì)控制板面的各向異性或與“制耳”現(xiàn)象的出現(xiàn)相關(guān)；其中立方織構(gòu)能引起0°和90°方向的制耳，而由于紫銅帶加工變形引起的黃銅織構(gòu)＜211＞則會(huì)造成45°方向制耳[20]。

方案2 試樣的加工率為58%，其表面存在較多黃銅織構(gòu)及銅型織構(gòu)，方案1 與方案2 對(duì)比可見，加工率越大，試樣表面銅型織構(gòu)向黃銅織構(gòu)轉(zhuǎn)變趨勢越大。由方案1 與方案2 試樣ODF 圖可以看出，方案1試樣中銅型織構(gòu)全部轉(zhuǎn)變?yōu)辄S銅織構(gòu)，即變形過程中僅出現(xiàn)了黃銅織構(gòu)，同時(shí)還存在一定量的銅型織構(gòu)Copper{112}＜111＞。

通過對(duì)表4、表5 的分析對(duì)比，可知加工率過大會(huì)造成變形織構(gòu)（黃銅織構(gòu)、銅型織構(gòu)），而熱處理的過程會(huì)產(chǎn)生立方織構(gòu)。如果形變織構(gòu)與退火織構(gòu)同時(shí)存在時(shí)，且兩者的配比適當(dāng)時(shí)，則在深沖加工過程中，杯口邊緣制耳現(xiàn)象可得到明顯的改善。

3 結(jié) 論

1）通過對(duì)0.5mm 厚的紫銅軟態(tài)銅帶的機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)，平面各向異性指標(biāo)越小，說明紫銅帶性能越均勻一致，深沖時(shí)不易產(chǎn)生制耳。

2）為了進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的準(zhǔn)確性，分析了制耳率和塑性應(yīng)變比，結(jié)果顯示方案1 的制耳率最小，且塑性應(yīng)變比各向異性度最小，說明深沖為筒狀后邊緣的制耳小。

3）通過對(duì)方案1 和方案2 的材質(zhì)進(jìn)行X 射線衍射分析，結(jié)果顯示方案2 工藝條件，軋件表面出現(xiàn)了銅型織構(gòu)向黃銅織構(gòu)的過渡且兩種織構(gòu)同存的局面，在每個(gè)方向的織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)一致時(shí)，0°、45°、90 度方向上的制耳就會(huì)相互抵消，使得制耳率劇減。