3104鋁板織構(gòu)對r值及深沖性能的影響_馬全倉_圖文

1、第 15卷 第 3期 2008年 6月塑性工程學(xué)報(bào)Vol . 15 No . 3Jun . 20083104鋁板織構(gòu)對 r 值及深沖性能的影響 *(鄭州大學(xué) 材料學(xué)院 , 鄭州 450001 馬全倉(洛陽有色金屬職工大學(xué) , 洛陽 471039 徐 陽 (北京科技大學(xué) 材料學(xué)院 , 北京 100083 毛衛(wèi)民 摘 要 :以德國 Hy dro 公司 3104成品鋁 板為 實(shí)驗(yàn) 材料檢 測了 鋁板織 構(gòu)及 板材塑 性應(yīng) 變比 r 值 。 由板 材織構(gòu) 基于 Sachs 模型和反應(yīng)應(yīng)力模型計(jì)算了鋁板的工程 r 值及 2=65°O DF 截面的不同取向晶粒的 r 值 。 結(jié)果 表明 , 立方

2、織構(gòu) 及立 方織構(gòu)與 S 織構(gòu)之間的過渡織構(gòu)有較高的 r 0, 而 S 織構(gòu)的 r 45值較高 , 立方織構(gòu) 、 S 織構(gòu)和它們之間的過 渡織構(gòu)都 有較高的 r 90值 , 此 3種織構(gòu)組分造成 3104板材 r 90值最高 。 增強(qiáng)過渡織構(gòu)可同時(shí)提高 r 0和 r 90值 。 最佳的立方織構(gòu) 、 S 織構(gòu)和過渡織構(gòu)的體積配比 , 就有可能獲 得最小的深沖制耳 , 從而顯著提高 3104鋁板的深沖性能及成材率 。 關(guān)鍵詞 :鋁板 ; 織構(gòu) ; r 值 ; 深沖性能 ; 塑性變形模型中圖分類號 :T G113. 25; T G 146. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1007-2012(20

3、08 03-0029-04Influence of texture in 3104Aluminum sheet onr values and deep drawing propertyM A Q uan -cang(Schoo l of M aterials Science and Engineering , Zheng zho u Univ ersity , Z heng zhou 450001 China XU Y ang(Luo Y ang N on -fer rous M etal A dult Sho ol , Luoy ang 471039 China M A O W ei -mi

4、n(Schoo l of M aterials Science and Engineering , U niver sity o f Science and T echno lo gy Beijing , Beijing 100083 China A bstract :T ex ture a nd r values of 3104Aluminum sheet of H ydro Co rpo ra tion in Ge rmany we re measured . T he r values of sheet were calculated by Sachs model and Reactio

5、 n st resses model based on 3104shee t tex ture and the r values o f various o rientatio ns gr ains in 2=65°ODF section we re also calculated by means o f Sachs mo del . Calculation results show that Cube and the t ransi -tion -tex ture betw ee n S and Cube tex ture components have hig he r r 0

6、, and S ha s hig he r r 45, S and Cube and transitio n -tex ture all hav e higher r 90. T hese three tex ture components induce the hig hest r 90amo ng r v alues of the sheet . T he transition -texture can increase r 0and r 90simultaneously . Optimum v olume pro po r tion of S , Cube and transition

7、-tex ture wo uld minimize the ea rring s , the reby the deep dr awing ability and o utput capacity of sheet could enhanced evidently .Key words :A luminum sheet ; tex ture ; r v alue ; deep drawing pro per ty ; plasticity deforma tion model*國家自然科學(xué)基 金資助項(xiàng) 目 (50171014 ; 科技 部高 科技 發(fā)展規(guī)劃 “ 863” 計(jì)劃 (2003A A

8、331080 。 馬全倉 E -mail :qcma zzu . edu . cn作者簡介 :馬全 倉 , 男 , 1969年 生 , 工學(xué) 博 士 , 鄭 州大 學(xué)材料學(xué)院教師 , 主要從事金屬板材織構(gòu)與性能關(guān)系研究 - 引 言在 20世紀(jì) 60年代 , 美國的雷諾和克依賽公司 首先研發(fā)成功了兩片鋁罐 。 70年代 80年代 , 日本和德國開始將鋁材廣泛應(yīng)用于各種硬包裝 (各種罐體和 容 器 及 軟 容 器 (醫(yī) 藥 、 化 妝 品 等 材 料 。 1984年美國制造了 620億個(gè)鋁質(zhì)兩片罐 , 占罐市場 的 85%,1987年 為 700億個(gè) , 1990年鋁罐的 總產(chǎn)量為 900億個(gè) ,

9、 到 1994年達(dá)到 1000億個(gè) , 1993年 全球鋁罐產(chǎn)量已超過 1400億個(gè) , 需 300萬噸左右的 薄鋁板供啤酒和碳酸飲料行業(yè)使用 1-2。 鋁易拉罐罐 體用 3104合金 , 罐蓋用 5182合金 。 罐用 3104鋁板 厚度由 1968年的 0. 38m m 減薄至最近的 0. 26m m , 單罐重也由原來的 22g 下降至目前約 10g 3。 近年 ,球鋁材加工產(chǎn)量的大國 , 但同時(shí)也是全球最大的鋁 材凈進(jìn)口國 。 高精尖鋁板帶箔材 , 如深沖用罐體鋁 板 3104鋁板等仍主要依賴進(jìn)口 。 發(fā)達(dá)國家的著名鋁 加工企業(yè)在高精尖鋁板生產(chǎn)技術(shù)上實(shí)行壟斷 , 表現(xiàn) 為在關(guān)鍵技術(shù)上既

10、不發(fā)表文章也不申請專利 , 而是 作為技術(shù)秘密加以保護(hù) 。 因此 , 在鋁加工技術(shù)方面 , 生產(chǎn)企業(yè)和材料科研工作者必須加大自主創(chuàng)新的力 度 , 形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的鋁加工關(guān)鍵技術(shù) , 使我國由鋁加工材大國成為鋁加工強(qiáng)國 。金屬板材的塑性應(yīng)變比 r 值是描述板材深沖性 能優(yōu)劣的重要力學(xué)性能參數(shù) , r 值越高則板材深沖性 越好 。 3104深沖鋁板的 r 值與其織構(gòu)密切相關(guān) 。 為 探討 3104鋁板織構(gòu)與 r 值的關(guān)系 , 有關(guān)研究人員做 了許多工作 , 并取得了一些成果 。 如織構(gòu)對鋁板初始 r 值的影響 4、 低應(yīng)變量拉伸條件下鋁板織構(gòu)與 r 值 的定量計(jì)算 5等 。 結(jié)果表明 ,

11、 雖然影響鋁板 r 值的因 素很多 , 但織構(gòu)是影響 r 值的最重要因素 。 目前研究 人員知道立方織構(gòu) 001<100>對 3104鋁板的深沖 性能極為重要 , 但對立方織構(gòu)含量多少為最佳 、 不 同的織構(gòu)組分如何影響工程 r 值及深沖性能等問題 并不是很清楚 。 因此本文以 Hy dro 3104鋁 板為實(shí) 驗(yàn)材料 , 探討 3104鋁板主要織構(gòu)組分如何具體地影 響 r 值的大小及深沖性能 , 為更好地指導(dǎo)生產(chǎn) , 大 幅度提高我國 3104鋁板的質(zhì)量 , 提供理論依據(jù) 。1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果實(shí)驗(yàn)材料 為德 國 H ydro 公司 3104鋁 成品 板 。 化學(xué) 成 分 M n 為

12、0. 8%1. 4%,M g 為 0. 8% 1. 3%,Cu 為 0. 05%0. 25%,其他為雜質(zhì) , 雜質(zhì) 總量 <0. 15%,余量為 A l 。 厚度為 0. 26mm , 狀態(tài) 為 H 19。 在 SIEM ENS X 射線衍射儀上測量鋁板的 111、 200、 220及 113不完整極圖 , 并由極數(shù) 展開 法計(jì) 算 ODF (Orientation Distributio n Func -tion 。 因?yàn)?S 織構(gòu)和立方織構(gòu)是影響 r 值各向異性 的主要因素 6, 9, 而 2=65°ODF 截面圖可同時(shí)表示 出立方織構(gòu) 0°, 0°,

13、0°和 S 織構(gòu) 60°, 32°, 65°, 故在 如圖 1a 中給出了 3104鋁板的 2=65°ODF 截面圖 。 為了對比 , 在圖 1b 中也給出了立方織構(gòu)與 S 織構(gòu)組 分的位置 。 由圖 1可看出 , 3104鋁成品板主要含有 立方織構(gòu) 、 S 織構(gòu) , 同時(shí)還有立方織構(gòu)與 S 織構(gòu)之 間的 “ 過渡織構(gòu) ” 。 加工態(tài)鋁板中通常還會含有 S 附 近的 Cu 型織構(gòu) 90°, 35°, 45°, Brass 織構(gòu) 35°, 45°, 0 ,圖 12=65°O DF 截面

14、, 密度水平 :1, 2, 4, 8 a H ydro 3104鋁板織構(gòu) ; b S 與立方織構(gòu)組分位置Fig . 12=65°ODF section , levels :1, 2, 4, 8在 M TS -810材料試驗(yàn)機(jī)上 , 測量鋁板的塑性應(yīng) 變比 (r 值 。 圖 2為鋁板的實(shí)測拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線 , 其中的應(yīng)變量為工程應(yīng)變量值 。 由圖 2可看出 , 3104鋁板 的 屈 服 強(qiáng) 度 s >280MPa , 抗 拉 強(qiáng) 度 b > 300M Pa , >5%,基本滿足了深沖壓工藝對鋁板力學(xué) 性能的要 求 :b >295M Pa , s >285M

15、Pa , >2%2。 由圖 2, 拉伸應(yīng)變量 2%4%之間是穩(wěn)定的塑性變形 區(qū)間 , 因而本次實(shí)驗(yàn)是在 2%應(yīng)變量時(shí)測量板材的 r 值 , 測量結(jié)果表示在圖 3中 。 其中 r 0, r 45, r 90分別表 示與軋向 RD (Ro lling Direction 的夾角為 0°, 45°和30塑性工程學(xué)報(bào) 第 15卷90°時(shí)的板材 r 值 , 也是工程上 常用的 3個(gè) 方向的 r 值 。 由圖 3可知 , r 0值在 0. 4左右 , r 45接近 1. 0, 而 r 90則超過 1. 0, 最大值大于 2. 0。2 鋁板的 r 值計(jì)算由文獻(xiàn) 5可知 ,

16、 對于加工態(tài)的鋁板 , 在低應(yīng) 變量拉伸條件下 , 只考慮應(yīng)力連續(xù)性的 Sachs 塑性 變形模型 , 和同時(shí)考慮拉伸應(yīng)力和晶粒之間相互作 用的分切應(yīng)力的反應(yīng)應(yīng)力模型 , 計(jì)算板材的工程 r 值是較為準(zhǔn)確可靠的 。 為此 , 由鋁板的織構(gòu) , 可計(jì) 算板材的同樣應(yīng)變量的 r 值 。 計(jì)算結(jié)果如圖 3所示 。 由圖 3可知 , Sachs 模型和反應(yīng)應(yīng)力模型的計(jì)算值 與實(shí)測值符合性較好 , 計(jì)算值幾乎都在實(shí)測值范圍 之內(nèi) 。 通過對比可看出 , Sachs 模型的計(jì)算 值比反 應(yīng)應(yīng)力模型計(jì)算值更接近實(shí)測值 (見圖 3 。Sachs 模型可 較準(zhǔn)確地計(jì)算板 材的 r 值 (見圖 3 , 因此可由

17、Sachs 模型計(jì)算任意取 向的晶體的 r 值 , 據(jù)此討論各種取向的晶體對 r 值的貢獻(xiàn) 大小 。 S achs 模型計(jì)算的 r 值表示在 2=65°ODF 截面上 , 如圖 4所示 。 計(jì)算方法詳見文獻(xiàn) 4。 需要注意的 是 , 在滑移系的選擇時(shí) , 由于拉伸時(shí)拉伸方向的應(yīng) 變 11應(yīng)為正 (1-拉伸方向 , 3-板材法向 , 2-同時(shí)垂 直于 1和 3的 方向 , 且有 11+22+33=0關(guān) 系 , 故剔除了 22>0或 33>0的滑移系 , 這才符合材料 在拉伸變形時(shí)的基本規(guī)律 。3 討 論鋁板深沖壓罐體時(shí) , S 織構(gòu)或 Cu 型織構(gòu)可造成 與軋向夾角為 45

18、°的 4個(gè)制耳 , 而立方織構(gòu)可造成與 軋向?yàn)?90°(0° 的 4個(gè)制耳 。 當(dāng) S 織構(gòu)與立方織構(gòu) 有合適的體積配比時(shí) , 深沖鋁罐體可以呈現(xiàn) 8個(gè)高 度很小的制耳 , 如圖 5所示 , 近似表現(xiàn)為 “ 偽 ” 各 向同性 , 使得 鋁板的深沖性能 及成材率大幅 提高 。 因此 , 通常認(rèn)為 , S 織構(gòu)與立方織 構(gòu)對鋁板深沖性 能的優(yōu)劣至關(guān)重要 。 由圖 5還可看出 , 8個(gè)小制耳 之間的 “ 谷底 ” , 正是立方織構(gòu)與 S 織構(gòu)之間的 “ 過 渡織構(gòu) ” (見圖 1b , 預(yù)示著 “ 過渡織構(gòu) ” 對于 “ 平 衡 ” 制耳減少制耳高度起著重要作用 。

19、由于 S 織構(gòu) 為冷軋態(tài)鋁板的穩(wěn)定織構(gòu) , 而立方織構(gòu)為不穩(wěn)定織 構(gòu) , H 19狀態(tài)鋁 板中保 持較 多的立 方織 構(gòu)并不 容 易 。 因此 , 有關(guān)人員對立方織構(gòu)在鋁板中的演變規(guī) 7-8圖 42=65°ODF 截面 Sachs 模型 r 值的分布 , 密度 水平 :1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 500, 900a 拉伸方向與軋向?yàn)?0°(r 0 ; b 拉伸方向與軋向?yàn)?45°(r 45c 拉伸方向與軋向?yàn)?90°(r 90Fig . 4 r v alues based o n Sachs model in 2=

20、65°O DF sectio n , lev els :1, 2, 4, 8, 16, 32,64, 128, 256, 500, 900模型的有限元法研究了 S 和立方織構(gòu)對深沖鋁罐體 制耳的影響 , 計(jì)算表明 , S 與立方織構(gòu)的最 佳體積 比為 1. 67 1時(shí) , 制耳高度最小 9。 由正態(tài)分布擬 合法的快速織構(gòu)檢測技術(shù) 6可獲得 Hy dro 3104鋁板 S 織構(gòu)與立方織構(gòu)的參數(shù)分 別為 :S 織構(gòu) , 半 高寬 9. 7°, 體積 55. 2%;立方織構(gòu) , 半高寬 6. 6°, 體積 17. 6%。 兩種織構(gòu)體積比為 3. 1。 綜合考慮 , S

21、與立 方織構(gòu)體積比應(yīng)該在 23之間比較合適 , 此方面的 工作還有待進(jìn)一步深入研究 。對比圖 1和圖 4a , 立方織構(gòu)及其與 S 織構(gòu)之間 0, S 31 第 3期 馬全倉 等 :3104鋁板織構(gòu)對 r 值及深沖性能的影響圖 5 3104深沖鋁罐體及 8個(gè)制耳示意圖 (垂直于軋向側(cè)視圖 Fig . 5 Schema tic of deep drawing aluminum cup and 8ea rring s (ve rtical RD side elevation r 0值 , 因此鋁板的 r 0主 要由立方織構(gòu) 及 “ 過 渡織 構(gòu) ” 所貢獻(xiàn) 。 嚴(yán)格意義上講 , r 0的高低主要取

22、決于 “ 過渡織構(gòu) ” 的強(qiáng)弱 , 而其他織構(gòu)組分對 r 0的貢獻(xiàn) 很小 , 這也正是 r 0值最小的原因 , 其值僅為 0. 4左 右 (見圖 3 。 因此 , 要明顯提高 r 0值 , 在提高立方 織構(gòu)組分的同時(shí) , 更重要的是增強(qiáng)立方織構(gòu)與 S 織 構(gòu)之間的 “ 過渡織構(gòu) ” 。 由圖 4b 可知 , 立方織構(gòu)及 “ 過渡織構(gòu) ” 的 r 45值很小 , 而 S 織 構(gòu)有較大 的 r 45值 , 因而 , S 織構(gòu)對板材的 r 45貢獻(xiàn)大 。 當(dāng)然 r 45值還 有 Cu 型織構(gòu)的重要作用 4, 因此板材的 r 45值比 r 0高 。 對比圖 1和圖 4c 可看出 , 除了 S 織構(gòu)的

23、r 90> 1, 立方織構(gòu)和 “ 過渡織構(gòu) ” 也 都有較大 的 r 90值 , 即 3種織構(gòu)組 分都對鋁板的 r 90有貢 獻(xiàn) , 因此 導(dǎo)致 3104鋁板的 r 90值最大 , 甚至大于 2. 0(見圖 3 。 增 加 “ 過渡織構(gòu) ” 組分 , 同樣可以提高 r 90值 。 因此 , 立方織構(gòu) 、 S 織構(gòu)及其 “ 過渡織構(gòu) ” 對 3104鋁板的 r 值及深沖性能有重要影響 。由圖 1可知 , 3104鋁板的 S 織構(gòu)和立方織構(gòu)并 不強(qiáng) , 同時(shí) , 在立方織構(gòu)與 S 織構(gòu)之間有比較明顯 的 “ 過渡織構(gòu) ” 組分 。 當(dāng)然 , 立方織構(gòu)可以通過改 進(jìn)熱軋工藝而較多地保留下來 ,

24、 并在之后的退火過 程中得到進(jìn) 一步 增強(qiáng) 。 但 在隨 后的 為使 鋁板達(dá) 到 H 19狀態(tài)而總加工率 >87%的冷軋過程中 3, 立方 織構(gòu)為不穩(wěn)定織構(gòu) , 其逐漸向穩(wěn)定織構(gòu)組分 S 或 Cu 型織構(gòu)移動(dòng) , 在移動(dòng)過程中 , 必然導(dǎo)致或強(qiáng)或弱的 立方織構(gòu)與 S 織構(gòu)的 “ 過渡織構(gòu) ” (見圖 1 。 立方 織構(gòu)向 S 織構(gòu)的轉(zhuǎn)化受到如微量元素 、 第二相粒子 、 晶粒大小 、 道次加工率 、 總應(yīng)變量 、 溫度 、 潤滑條 制立方織構(gòu)的轉(zhuǎn)變行為提供了可能 性和必要條件 。 考慮 3104鋁板所有織構(gòu)組分共同作用時(shí)對 r 值的影 響 , 并在研究如何 獲得最佳織構(gòu)體 積配比的同時(shí)

25、, 關(guān)注通過 改進(jìn) 工藝結(jié) 合生產(chǎn) 實(shí)際從 而獲得 合適 的 “ 過渡織構(gòu) ” , 對于降低制耳 、 提高鋁板深沖性能有 重要意義 , 相關(guān)研究需要進(jìn)一步開展 。4 結(jié) 論3104鋁板的 S 織構(gòu)和立方織構(gòu)及其相互之間的 “ 過渡織構(gòu) ” 對提高 r 值和降低 制耳高度有重 要影 響 。 立方織構(gòu)和 “ 過渡織構(gòu) ” 組分提高 r 0值 , S 織 構(gòu)對 r 45起重要作用 , 立方織構(gòu)及 “ 過渡織構(gòu) ” 和 S 織構(gòu)同時(shí)提高 r 90值 , 這也是 r 90在 3個(gè)工程值 r 0, r 45和 r 90值最高的原因 。 S 與立方織構(gòu)之間的 “ 過渡 織構(gòu) ” 是 “ 平衡 ” 制耳的重要

26、織構(gòu)組分 , 提高其強(qiáng) 度可同 時(shí)提 高 r 0和 r 90。 獲 得合 適的 立 方織 構(gòu) 及 “ 過渡織構(gòu) ” 和 S 織構(gòu)的體積含量 , 就有可能獲得最 小的制耳 , 并可顯著提高鋁板的深沖性能和成材率 。參考文獻(xiàn)1 江鴻 , 向群 . 鋁罐生 產(chǎn)技 術(shù)和 市場發(fā) 展 J . 金 屬世 界 , 2004. 6:7-92 王醫(yī)治 . 全鋁易 拉罐的 新進(jìn) 展與制 罐工 業(yè)的 民展 J . 輕金屬 , 1995. 8:50-553 Humphrey s H J , Hatherly M . Recr ystallizatio n and r e -la ted annealing pheno me na M , Elsevie r L td , O xfo rd , 20044 馬全 倉 , 毛