應(yīng)用成果
A1—1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn 合金一次冷軋織構(gòu)與二次冷軋織構(gòu)的研究
作者：中國(guó)鋁板帶箔信息中心 日期： 2007-6-28
寶 磊，武保林
( 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院材料工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110034)
摘要：將 Al—1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn 合金進(jìn)行 50 ％、 60 ％、 70 ％、 80 ％不同壓下量的一次冷軋，隨后分別將一次冷軋壓下率為 50 ％和 70 ％的樣品進(jìn)行等溫中間退火并進(jìn)行 80 ％壓下率的二次冷軋，對(duì)其織構(gòu)演變過(guò)程進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)壓下量大于 60 ％時(shí)，一次冷軋的樣品呈現(xiàn) “ 銅式 ” 織構(gòu)特征，即在 α 、 β 取向線上分布 G 、 B 、 C 及 S 組分， C 、 B 和 S 組分強(qiáng)度隨變形量的增加而增大， G 組分則先增大后減小，在 70 ％變形量時(shí)達(dá)最大。中間退火再結(jié)晶織構(gòu)較彌散，但中間退火對(duì)二次冷軋織構(gòu)有較大影響。初次冷軋變形量 50 ％的樣品形成弱的 {001}<110> 旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)，初次冷軋變形量 70 ％的樣品形成 “ 銅式 ” 織構(gòu)。
關(guān)鍵詞： Al—1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn 合金；織構(gòu)；冷軋
A1-Cu-Mg-Mn 合金屬于硬鋁系合金，除具有鋁合金的普遍優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的焊接性、高斷裂韌性和抗疲勞性能，所以在車身部件，飛機(jī)骨架的制造中得到大量應(yīng)用 [1] ，鋁合金板材在加工過(guò)程中通常伴隨著織構(gòu)的生成和發(fā)展，給后續(xù)工藝和最終板材的性能帶來(lái)影響，如制耳率等。同時(shí)，晶界特征分布 (Grain Boundary Character Distribution ，簡(jiǎn)稱 GBCD) 被認(rèn)為界定材料的織構(gòu)類型與銳度，而 GBCD 對(duì)材料宏觀性能具有重要影響。通常認(rèn)為 [2] ，形變織構(gòu)的形成除了與材料的成分有關(guān)外，還與變形時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)、變形量及熱處理工藝等因素有關(guān)，并且織構(gòu)具有一定的遺傳性。目前，對(duì)一次冷軋織構(gòu)的研究較多，而針對(duì)中間退火后的二次冷軋后的織構(gòu)研究較少，所以有必要對(duì)鋁合金板材從最初的軋制織構(gòu)到中間退火后的二次冷軋織構(gòu)作深入的研究。本文以自行制備的 Al － 1.8Cu － 0.4Mg—0.4Mn 合金為試驗(yàn)材料，對(duì)比一次冷軋及二次冷軋的織構(gòu)類型及組分強(qiáng)度，以期為進(jìn)一步控制織構(gòu)的形成、改善該合金的性能提供幫助。
1 試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
試驗(yàn)用Al—Cu－Mg—Mn合金以純度w（Al）＝99.990％的高純鋁、Al－20.2％Cu、A l－l 0.0％Mg、Al—10.0％Mn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）中間合金為原料，在實(shí)驗(yàn)室條件下制備。合金成分為：w（Cu）1.8％；w（Mg）0.4％；w（Mn）0.4％，其余為Al。合金在電阻爐石墨坩堝中熔煉，熔煉前用涂料均勻涂抹坩堝內(nèi)壁。熔鑄時(shí)以C2Cl6作為精煉劑，熔煉溫度為650℃～700℃，澆注溫度670℃，采用400℃熱鐵模澆注。鑄態(tài)樣品經(jīng)過(guò)450℃ 48h均勻化退火后，用線切割加工成4mm厚的板狀樣品。
將上述樣品進(jìn)行不同變形量的冷軋，冷軋變形量分別為50％、60％、70％、80％，冷軋后分別取樣測(cè)算織構(gòu)。將冷軋壓下率為50％和70％的冷軋樣品分別進(jìn)行等溫加熱退火（475℃ 25min），退火后取樣測(cè)算織構(gòu)。將中間退火后的樣品再進(jìn)行80％壓下量的冷軋并取樣測(cè)算織構(gòu)。
1.2 織構(gòu)測(cè)試
織構(gòu)測(cè)試在丹東方圓儀器有限公司生產(chǎn)的DX2000型X射線衍射儀上進(jìn)行。按Schulz背反射法掃測(cè)｛111｝、｛200｝和｛220｝三張不完整極圖（χf＝70°）。采用二步法[3]計(jì)算ODF（Orientation Distribution Function，l max ＝16），結(jié)果用一組恒ψ截面圖（Roe符號(hào)系統(tǒng)）表示。Ⅹ射線測(cè)試采用CuKa靶材，管電壓為40kV，管電流為30mA，按同心圓步進(jìn)方式掃測(cè)，α為20°～90°，β為0°～360°，測(cè)量步長(zhǎng)為5°。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 合金的一次冷軋織構(gòu)
圖l為Al－1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn合金在50％、60％、70％和80％冷軋壓下量下板材的ODF恒ψ截面圖。從中發(fā)現(xiàn)，50％壓下量的冷軋樣品的織構(gòu)漫散，60％、70％和80％冷軋壓下率下的樣品織構(gòu)均表現(xiàn)為典型的“銅式”織構(gòu)特征，在α取向線上有G｛011｝＜100＞（ψ＝0°、θ＝90°、￠＝45°，6級(jí)）和B｛110｝＜112＞（ψ＝55°、θ＝45°、￠＝0°，6級(jí)）組分；在β取線上有C{112}＜111＞（ψ＝0°、θ＝35°、￠＝45°，7級(jí)）、S{123}＜634＞（ψ＝30°、θ＝37°、￠＝27°、6級(jí)）組分。 除G組分外，其他織構(gòu)組分都隨冷軋壓下率的增加而增大。當(dāng)冷軋壓下率達(dá)到80％時(shí)，取向密度達(dá)到最大（C組分I max ＝7.655），并穩(wěn)定在C、B和S組分上。而G組分在60％～70％冷軋壓下率時(shí)取向密度迅速增大，70％冷軋壓下率時(shí)達(dá)到峰值（I max ＝6.504），接下來(lái)快速下降，在80％冷軋壓下率時(shí)僅為3級(jí)。圖2為各組分取向密度與冷軋壓下率的關(guān)系圖。圖3為80％壓下量冷軋樣品的金相顯微組織，軋制態(tài)纖維狀組織明顯。在形變基體上有大量被壓的第二相粒子，并沿著被拉長(zhǎng)的晶界分布。
圖 1 不同冷軋壓下率樣品的 ODF 恒 ψ 截面圖（ △ψ=5° ）
圖 2 各織構(gòu)組分取向密度與冷軋壓下率的關(guān)系
圖 3 冷軋量 80 ％試樣的金相顯微組織
2.2 合金中間退火的再結(jié)晶織構(gòu)
圖4為50％和70％冷軋率試樣退火后的ODF恒ψ截面圖。從中看到，樣品的晶體取向分布均趨于彌散，但若細(xì)致分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，70％冷軋率退火樣品仍表現(xiàn)出弱的織構(gòu)，主要為20°和70°旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)（I max ＝1.796）。
圖 4 樣品 475℃ 退火后的再結(jié)晶織構(gòu) ODF 恒 ψ 截面圖（ △ψ ＝ 5° ）
2.3 合金的二次冷軋織構(gòu)
圖 5 為 50 ％和 70 ％一次冷軋?jiān)嚇油嘶鸷笤俅谓?jīng) 80 ％二次冷軋后的 ODF 恒 ψ 截面圖。從中發(fā)現(xiàn)，中間退火對(duì)隨后出現(xiàn)的二次冷軋織構(gòu)的類型有很大的響。初次冷軋率 50 ％的樣品形成弱的 {001} ＜ 110 ＞旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)，初次冷軋率 70 ％的樣品形成 ¨ 銅式 ” 織構(gòu)。
圖 5 二次冷軋 80 ％冷軋率的 ODF 恒 ψ 截面圖（ △ψ ＝ 5° ）
3 分析與討論
軋制過(guò)程的變形機(jī)制是金屬在軋輥間的變形區(qū)內(nèi)發(fā)生45°剪切應(yīng)變。在這過(guò)程中，通過(guò)位錯(cuò)滑移、孿晶等方式，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)到有利于變形的取向上來(lái)，對(duì)于高層錯(cuò)能的鋁合金，通過(guò)大量交滑移，穩(wěn)定在純銅型織構(gòu)（C{112}＜111＞）上 [4] 。本試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，初次冷軋樣品的Coss織構(gòu)隨變形量的增加在70％冷軋率時(shí)出現(xiàn)峰值，這與形變過(guò)程中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)分化過(guò)程密切相關(guān)。在45°剪切帶變形中，C和B為穩(wěn)定取向，隨著形變量的增加，不斷有晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)到這兩種取向上來(lái)。這一結(jié)果可用Taylor模型和Sachs模型及調(diào)和模型較好的模擬再現(xiàn) [5] 。在變形量小于70％時(shí)，晶粒沿＜110＞軸向C取向轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)停在G取向的亞穩(wěn)定狀態(tài)，隨著形變量的增大，剪切變形的加劇，G組分會(huì)分別繼續(xù)沿＜110＞軸轉(zhuǎn)動(dòng)54.7°，到達(dá)C組分的穩(wěn)定取向。所以在高變形量時(shí)，G組分強(qiáng)度快速下降，C組分強(qiáng)度迅速增大。｛001｝＜110＞旋轉(zhuǎn)立方取向也是一種亞穩(wěn)定取向，一般在同步冷軋板中較少發(fā)現(xiàn)這一織構(gòu)組分，這一取向若沿＜110＞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)35.3°，同樣會(huì)到達(dá)C組分的穩(wěn)定取向。
一般認(rèn)為 [6-8] ，F(xiàn)CC金屬及合金冷軋?jiān)俳Y(jié)晶退火后會(huì)形成較強(qiáng)的立方織構(gòu)。而本試驗(yàn)在退火樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)立方織構(gòu)。其原因可能是合金中存在較多的粒子，再結(jié)晶過(guò)程將由于粒子促進(jìn)形核（particle stimulated nucleation，簡(jiǎn)稱PSN）而加速，一般，當(dāng)PSN是再結(jié)晶的主要形核方式時(shí)，再結(jié)晶織構(gòu)較弱，近似隨機(jī)分布，PSN產(chǎn)生的晶粒取向也被認(rèn)為是隨機(jī)分布的[9]。細(xì)小的彌散粒子在釘扎位錯(cuò)，阻止織構(gòu)形成方面很有效，最終得到較彌散的織構(gòu)特征。這對(duì)后續(xù)的二次冷軋織構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響。二次冷軋的織構(gòu)特征完全不同，這在一定程度上與一次冷軋壓下率及中間再結(jié)晶退火織構(gòu)存在的一定差異有關(guān)。一次冷軋形成典型“銅式”織構(gòu)，而二次冷軋織構(gòu)卻表現(xiàn)各異，其詳細(xì)原因尚需深入進(jìn)行研究。
4 結(jié)論
?。?）一次冷軋Al－1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn合金的織構(gòu)均表現(xiàn)為典型的“銅式”織構(gòu)特征，即由α、β線組成。出G組分外，C、B、S組分都隨冷軋壓下率的增加而增大，而G組分在70%冷軋壓下率時(shí)達(dá)到峰值，隨后快速下降。
?。?）Al－1.8Cu—0.4Mg—0.4Mn合金一次冷軋后退火，其織構(gòu)均比較漫散。
?。?）初次冷軋率50%的樣品經(jīng)二次冷軋后形成弱的｛001｝＜110＞旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)，初次冷軋率70%的樣品經(jīng)二次冷軋后形成“銅式”織構(gòu)。
