退火后終軋壓下量對鋁合金軋板織構和深沖性能的影響

夏 柳 徐 春 白清領 王昕宇 武偉超 曹學成

(1.上海應用技術大學材料科學與工程學院，上海 201418; 2.上海中天鋁線有限公司，上海 201100;3.上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418; 4.北京理工大學機電學院，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點，因此在交通運輸領域輕量化大趨勢下，鋁合金板材在汽車、航天等行業的應用越來越廣，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制耳等現象，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、降低生產效率和產品質量[2]。研究發現，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密切相關，存在Cube織構與Goss織構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、Copper織構、Brass以及R織構的鋁合金板材會形成45°方向的制耳。但當材料內部各種織構達到一定平衡比例，即當各織構組分的體積分數及它們之間的比例處于某一特定范圍時，板材會表現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制耳。因此如何控制材料織構，使產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演變的影響，發現隨著軋制總壓下量的增加，Copper織構、Brass織構及S織構的組分逐漸增加，而Goss織構則出現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組分的影響，發現隨著二次冷軋壓下量的增加，材料中的立方織構逐漸轉變為旋轉立方織構，并最終轉變為Brass織構。闕石生等[2]研究了主要生產工藝參數對3003- H14鋁合金帶材制耳率及織構的影響，結果表明，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鋁合金板材織構和各向異性的影響，結果顯示，高溫快速退火有利于獲得強烈立方織構，大變形量冷軋后仍保留有少量立方織構，各向異性較小；而經常規中間退火的板材立方織構較弱，冷軋后沒有發現立方織構，沖壓出現與軋向呈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，或兩者結合對鋁合金板材織構的影響，因此需要多次調整各道次壓下量及改變熱處理工藝，顯然工作量較大。本文擬僅調整一個關鍵軋制道次的壓下量，以實現對鋁合金板材織構組分的調控，進而改善材料各向異性，為工業生產中通過簡單調整冷軋工藝而達到控制織構的目的。

1 試驗材料及方法

試驗鋁合金的化學成分如表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9道次熱軋至厚6 mm；空冷至室溫，再經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 試驗鋁合金的化學成分(質量分數)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°進行線切割，獲得如圖1所示的試樣。依據GB/T 5027—1985及GB/T 5028—1985測量塑性應變比(r值)，試驗前分別測量標準試樣的平行長度l0與厚度b0，之后采用CMT5305型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。將標準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，分析試驗數據得到材料塑性應變比(r值)及凸耳參數(△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行EBSD測試，掃描步長為0.1 μm，分析取向分布函數(ODF)圖以研究不同終軋壓下量對鋁合金織構組分的影響。

2 試驗結果

2.1 塑性應變比(r值)及凸耳參數(△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。可以發現，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值先增大后減小；△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△r>0時，凸耳出現在0°和90°方向；當△r<0時，凸耳出現在±45°方向；△r=0時，不產生凸耳。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 織構組分

在面心立方金屬ODF圖中，常見的織構都在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圖進行分析，如圖2所示，其中圖2(e)為標準ODF圖。表3為對應圖2中主要織構組分的強度值，圖3為經過OIM軟件處理后統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分析中比較重要的兩條曲線，α取向線上主要包括Goss織構和Brass織構，β取向線上主要包括Copper織構、S織構及Brass織構。

從圖2中可以發現，不同終軋壓下量的鋁合金軋板都存在Cube織構、Goss織構、Brass織構、Copper織構以及S織構等5種織構組分，但各織構組分的數量均隨著終軋壓下量的變化而變化。其中，Cube織構強度隨著壓下量的增加而降低，即從15.0降至6.8；Goss織構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織構強度隨著壓下量的增加而呈減小趨勢，Brass織構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時兩者都出現了較大的波動；S織構在終軋壓下量0.4 mm時消失，但在其他壓下量時又出現，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強度。從圖4中可以發現，隨著終軋壓下量的增加，5種織構的強度總量降低，其中，影響45°方向制耳的織構強度總量逐漸降低，影響0°與90°方向制耳的織構強度總量先上升后下降。從織構比例看，影響45°方向制耳的織構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組分主要為Brass織構、Copper織構、S織構，另外可能還有過渡Goss織構等。鋁合金板材經大變形軋制后進行再結晶退火時，主要形成Cube再結晶織構、R織構以及殘留的部分軋制織構等[13- 17]。而本試驗鋁合金經多道次熱軋和冷軋后，再進行350 ℃保溫100 min的退火處理，因此會得到較多的Cube等再結晶織構。但后續終軋又會改變織構組分，即隨著終軋壓下量的增加，殘留的Cube等再結晶織構逐漸減少，而Brass織構、Copper織構、S織構等變形織構不斷增加。因此，當終軋壓下量較小即0.4 mm時，會存在較多的Cube等再結晶織構以及軋制產生的Copper織構。隨著壓下量的逐漸增加，材料中的儲存能越來越高，此時材料中的織構開始通過α與β這兩個取向線進行轉變。首先Cube織構沿軋制方向轉變為Goss織構，然后分裂沿α取向線轉變為Brass織構。與此同時，Cube織構逐漸轉化為β纖維織構，并且β取向線上織構也會相互轉化，轉化順序為Copper→S→Brass[4,13,16]。因此隨著終軋壓下量的增加，材料中的Cube織構與Copper織構強度逐漸減小，而其他4種織構的強度均逐漸增大。此外，軋板中的Cube織構與Goss織構會造成0°、90°制耳，S織構、Copper織構、Brass織構會產生45°制耳傾向，當二者都存在時，可以相互抵消，降低材料的各項異性[3- 7]。由圖4可見，當終軋壓下量為0.4 mm時，軋板中以Copper織構為主，此時軋板中45°方向制耳較嚴重。而隨著壓下量的增加，影響45°方向制耳的織構比例先減小后增大，因此該方向制耳的程度也先減輕后加重。對制耳織構的定量可以通過試驗r值與△r值進行分析。

表4為鋁合金中主要織構的理論r值與△r值，可以發現，變形織構的r值與△r值的絕對值普遍大于再結晶織構。隨著變形量的增加，5種織構的總強度逐漸降低，因此材料的r值也呈降低趨勢。另外，Cube織構強度的降低與Brass織構強度的升高，使得△r值降低并且負向增加，這與表2的數據規律一致。△r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、Goss織構與其他織構的強度比例為1∶1(見圖3)。綜合比較發現，3號軋板(壓下量0.5 mm)的深沖性能最好。

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

4 結論

不同終軋壓下量的鋁合金板材中的主要織構為Cube織構、Goss織構、Brass織構、Copper織構以及S織構，隨著退火后終軋壓下量的增加，Cube織構與Copper織構的強度逐漸降低且都向Brass織構轉變，其中Cube織構沿著α取向線轉變，轉變路徑為Cube→Goss→Brass，而Copper織構沿著β取向線轉變，轉變路徑為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。結合△r值與杯突值發現，壓下量為0.5 mm的軋板的各向異性最小，說明當Cube織構、Goss織構與其他變形織構的強度比例為1∶1時，材料的深沖性能最好。