鋁合金織構(gòu)的演變規(guī)律

鋁合金織構(gòu)的演變規(guī)律

鋁合金具有良好的比強(qiáng)度和良好的加工性能，在國(guó)民生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)代社會(huì)發(fā)展日益需要高性能的鋁合金材料,如要求低應(yīng)力的預(yù)拉伸鋁板、低加工變形鋁板和高精度的深沖鋁板等。然而,在鋁合金的制備和產(chǎn)品加工過(guò)程中,織構(gòu)的廣泛存在,妨礙了人們獲得品質(zhì)優(yōu)良的鋁合金材料和產(chǎn)品。多晶材料織構(gòu)的研究起始于20世紀(jì)30年代?？棙?gòu)是多晶材料中晶粒的一種擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu),對(duì)材料的使用性能有時(shí)是有害的,有時(shí)是有益的?？棙?gòu)影響材料的彈性模量、泊松比、強(qiáng)度、韌性、塑性(包括深沖性能)、電導(dǎo)和線膨脹系數(shù)等,并使材料呈現(xiàn)宏觀各向異性。此外,強(qiáng)織構(gòu)還會(huì)影響殘余應(yīng)力的無(wú)損測(cè)定等。各國(guó)對(duì)鋁合金的織構(gòu)做了很多研究工作。歐美等西方國(guó)家對(duì)織構(gòu)的研究時(shí)間較長(zhǎng),并且借助大型的中子衍射設(shè)備對(duì)材料的織構(gòu)進(jìn)行了精確的測(cè)試,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這方面的條件。國(guó)內(nèi)許多單位如北京科技大學(xué)、重慶大學(xué)、東北大學(xué)、中南大學(xué)、有色金屬研究院和西南鋁等都開展了鋁合金織構(gòu)的研究,主要集中在鋁合金制造加工過(guò)程中織構(gòu)的一般演變規(guī)律上。文中從織構(gòu)的測(cè)試分析方法、鋁合金織構(gòu)的演變規(guī)律和織構(gòu)的不均勻分布等方面,總結(jié)了近年來(lái)鋁合金織構(gòu)的研究進(jìn)展,展望了鋁合金織構(gòu)的應(yīng)用和未來(lái)研究方向。1材料內(nèi)部織構(gòu)的測(cè)量研究材料織構(gòu)的技術(shù)主要有以下幾種:X射線衍射或中子衍射測(cè)定宏觀織構(gòu);高分辨掃描電鏡的背散射電子衍射(EBSD)測(cè)量微觀織構(gòu);透射電鏡的電子衍射測(cè)量更為微觀的晶體取向等。X射線衍射是目前分析與研究材料織構(gòu)最主要的和常用的技術(shù)手段之一。此方法統(tǒng)計(jì)性高,但測(cè)試精度較低,且一般的反射法只能獲得不完整的內(nèi)層的極圖。相比X射線衍射而言,中子衍射測(cè)量織構(gòu)有很高的精度,可以無(wú)損測(cè)量材料內(nèi)部織構(gòu),缺點(diǎn)是設(shè)備龐大且昂貴。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門應(yīng)用中子衍射進(jìn)行織構(gòu)分析的譜儀。西南技術(shù)工程研究所研制開發(fā)了一種新型的短波長(zhǎng)X射線衍射應(yīng)力分析儀(SWXRD),具有很強(qiáng)的穿透性,能穿透40mm的鋁板,可以對(duì)鋁合金板的內(nèi)部織構(gòu)進(jìn)行無(wú)損測(cè)試。EBSD技術(shù)能得到多晶體完整的取向信息,進(jìn)行織構(gòu)和取向差分析,在獲得晶粒取向分布的同時(shí),可以將晶體結(jié)構(gòu)信息與組織形貌,如晶粒形態(tài)、相組成、晶界性質(zhì)和形變等相對(duì)應(yīng),近年來(lái)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。除了以上常用的方法測(cè)試金屬材料的織構(gòu)外,還可以借助特殊侵蝕劑,在樣品表面侵蝕出特殊的侵蝕坑或侵蝕圖案,通過(guò)光鏡再確定微區(qū)內(nèi)的取向。超聲波也可以測(cè)量材料的部分織構(gòu)。近年來(lái),為滿足工業(yè)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)在線監(jiān)測(cè)與監(jiān)控的需要,人們已經(jīng)開始研究在線織構(gòu)檢測(cè)技術(shù)。由特征織構(gòu)信息和相應(yīng)的換算模型,計(jì)算金屬板材的性能,已成為材料織構(gòu)定量分析的活躍領(lǐng)域之一。劉濤、毛衛(wèi)民等人提出一種采用透射法準(zhǔn)確快速測(cè)量AA3104熱軋鋁板織構(gòu)的在線檢測(cè)方法,但是受測(cè)試厚度等因素的限制,沒(méi)有得到推廣使用。目前,西南技術(shù)工程研究所、北京科技大學(xué)以及中國(guó)工程物理研究院針對(duì)西南鋁業(yè)集團(tuán)公司生產(chǎn)的鋁合金板,正在進(jìn)行新型在線織構(gòu)檢測(cè)設(shè)備的研制,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金厚板不同深度的織構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。2織構(gòu)加工和鑄造過(guò)程會(huì)形成相應(yīng)的擇優(yōu)取向鋁合金材料在一般的加工過(guò)程中,如鑄造、熱軋、冷變形、再結(jié)晶、熱處理等,都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的織構(gòu),如經(jīng)過(guò)軋制、拉伸和擠壓等變形過(guò)程,由于塑性變形中晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成變形織構(gòu),經(jīng)退火處理后又形成再結(jié)晶織構(gòu),鑄造和鍍膜等過(guò)程也會(huì)形成特殊的擇優(yōu)取向。不同加工過(guò)程中產(chǎn)生的織構(gòu)又相互抑制和增強(qiáng),最終產(chǎn)品中往往有比較復(fù)雜的織構(gòu)成分。2.1鑄造織構(gòu)的生長(zhǎng)鋁合金在工業(yè)上采用的鑄造工藝過(guò)程中,結(jié)晶體的熱量總是從某些特定的方向散失,造成結(jié)晶體內(nèi)形成了溫度梯度場(chǎng),使晶核的生長(zhǎng)也具有方向性且相互平行,就形成了鑄造織構(gòu)。大量的研究表明,鋁等立方晶系金屬快速生長(zhǎng)的晶體學(xué)方向均是<100>方向。在鋁合金的鑄錠中,這種織構(gòu)表現(xiàn)為{100}面平行于散熱表面的纖維織構(gòu)。鑄態(tài)鋁合金的表面主要是旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){001}<110>,而后在冷軋過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)檐堉瓶棙?gòu)。2.2織構(gòu)組的組分在外力作用下金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)各個(gè)晶粒的某滑移系,逐漸轉(zhuǎn)到與外力相適應(yīng)的方向上來(lái)并形成擇優(yōu)取向,就形成了變形織構(gòu)。表1列出了鋁合金等面心立方金屬中幾種重要的織構(gòu)組分。鋁合金中軋制織構(gòu)是最常見的一種變形織構(gòu),主要由以下變形織構(gòu)組成:黃銅織構(gòu)Brass{011}<211>,銅型織構(gòu)Copper{112}<111>,S織構(gòu){123}<634>。圖1顯示了鋁合金中的主要織構(gòu)組分在ODF的45°截面上的位置,包括了軋制織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu)和剪切織構(gòu)等。材料中織構(gòu)發(fā)展的本質(zhì)取決于材料所經(jīng)歷的機(jī)械過(guò)程和熱力學(xué)過(guò)程。形變織構(gòu)的形成主要由以下幾個(gè)因素所控制:(1)變形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài);(2)變形量;(3)變形晶體學(xué);(4)變形溫度。2.2.1動(dòng)態(tài)再結(jié)晶織構(gòu)熱軋板的織構(gòu)具有明顯的銅型織構(gòu)特征。對(duì)鋁合金來(lái)說(shuō),如果軋制溫度在再結(jié)晶溫度以上,則在軋制過(guò)程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并形成再結(jié)晶織構(gòu),軋制溫度較低時(shí)不會(huì)形成再結(jié)晶織構(gòu)。高琪妹等人發(fā)現(xiàn)6111鋁板在較低的終軋溫度下(200℃)熱軋后的織構(gòu),為弱的銅型軋制織構(gòu),沒(méi)有出現(xiàn)再結(jié)晶織構(gòu)。橫軋所產(chǎn)生的織構(gòu)是不同方向軋制所產(chǎn)生的織構(gòu)疊加。橫軋激發(fā)更多的滑移系參與滑移和交滑移,引起旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)和絲織構(gòu)的增強(qiáng),削弱變形織構(gòu)。2.2.2制備織構(gòu)的速率鋁合金的軋制織構(gòu)與軋制變形量有密切關(guān)系。隨著變形量的增加,冷軋織構(gòu)組分(S,Copper和Brass)總體上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。張永皞等人對(duì)3104和1050鋁合金織構(gòu)的EBSD研究表明,不同變形量下的冷軋織構(gòu)組分中S取向增加的速率最快,含量也最高,冷軋到變形量為40%時(shí)3種冷軋織構(gòu)組分的體積分?jǐn)?shù)已超過(guò)68%。軋制過(guò)程中不是所有變形織構(gòu)都一直增加的。陳明彪等人研究了5052鋁合金軋制織構(gòu)演變,發(fā)現(xiàn)Goss組分的體積分?jǐn)?shù)先隨壓下量的增加而增加,而后在高變形量時(shí)又降低,圖2反映了織構(gòu)演變速率與軋制真應(yīng)變的關(guān)系。在冷軋變形過(guò)程中,初始織構(gòu)對(duì)材料最終所形成的織構(gòu)具有非常大的影響。冷軋過(guò)程中,初始的再結(jié)晶織構(gòu)逐漸向穩(wěn)定的β纖維織構(gòu)轉(zhuǎn)變,當(dāng)材料初始含有較強(qiáng)立方織構(gòu)時(shí),會(huì)影響最終軋制織構(gòu)的含量。此外,合金成分也影響織構(gòu)的形成。合金越純,雜質(zhì)越少,越容易形成純金屬軋制織構(gòu),退火后立方織構(gòu)越強(qiáng)。一般雜質(zhì)Fe含量的增加會(huì)增強(qiáng)變形織構(gòu);添加Mn元素與其他元素易形成粗大的第二相顆粒,進(jìn)而促進(jìn)再結(jié)晶形核和長(zhǎng)大,最終強(qiáng)化立方織構(gòu)。除軋制鋁合金外,擠壓鋁合金中也有很強(qiáng)的織構(gòu),一般是纖維織構(gòu)。王玉鳳研究了4032鋁合金擠壓棒中的織構(gòu),發(fā)現(xiàn)1/2半徑處存在強(qiáng)的<111>織構(gòu)和相對(duì)較弱的<100>織構(gòu)。2.3織構(gòu)加工和形貌金屬經(jīng)過(guò)變形加工后,在組織結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存了一定的能量,在熱處理加工過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶,形成再結(jié)晶織構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),高變形量的冷軋鋁及鋁合金的再結(jié)晶織構(gòu)為立方織構(gòu){100}<001>和R織構(gòu)。初始織構(gòu)和退火溫度對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)有很大影響。蔡春波對(duì)1050鋁合金形變和再結(jié)晶過(guò)程中的織構(gòu)演變研究表明:隨著溫度升高,立方織構(gòu)取向密度逐漸增加,軋制織構(gòu)逐漸降低;當(dāng)360℃退火后再結(jié)晶完成,立方織構(gòu)成為主要織構(gòu)組分,但仍有少量軋制織構(gòu)存在。再結(jié)晶過(guò)程對(duì)材料的各向異性有明顯影響。隨退火溫度的升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng),強(qiáng)度和延伸率的各向異性減小,鋁合金板材延伸率的各向異性明顯高于強(qiáng)度的各向異性。3織構(gòu)分布的變化厚板鋁合金由于軋制過(guò)程中變形的不均勻性及剪切變形在各層分布的不同,在不同深度的織構(gòu)狀態(tài)不同。許多研究表明:鋁合金板材表層及次表層受摩擦力作用處于剪切應(yīng)變狀態(tài),主要是剪切織構(gòu)(旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){001}<110>)和立方織構(gòu);1/4厚度處為過(guò)渡層;中心處主要是β取向的軋制織構(gòu)和少量的Cube-ND織構(gòu)。剪切應(yīng)變是引起表層軋制型織構(gòu)向剪切型織構(gòu)轉(zhuǎn)變的主要原因。有時(shí)冷軋過(guò)程中中心層軋制織構(gòu)(尤其是黃銅織構(gòu))隨著壓下量增加向剪切織構(gòu)轉(zhuǎn)變而減小。王書明采用X射線法對(duì)7B04鋁合金織構(gòu)沿厚度方向變化的研究表明:由板材表層到中心,再結(jié)晶織構(gòu)先減小后增大,剪切織構(gòu)逐漸減小,變形織構(gòu)先減小后增大。高振桓采用短波長(zhǎng)X射線衍射儀(SWXRD)的K角掃描法,分別對(duì)25mm厚2024預(yù)拉伸板板和30mm厚7075淬火板不同深度的織構(gòu)分布進(jìn)行了無(wú)損測(cè)試,發(fā)現(xiàn)7075與2024的軋制織構(gòu)分布類似,在板厚中心位置最強(qiáng),向板表面逐漸減弱,如圖3所示。板中心部以Brass{110}<112>織構(gòu)最強(qiáng),這對(duì)于測(cè)量軋向應(yīng)力是非常不利的?？棙?gòu)的不均勻分布導(dǎo)致預(yù)拉伸處理消減殘余應(yīng)力不均勻,即使施加的拉伸力均勻,也會(huì)導(dǎo)致鋁板變形不均勻,影響尺寸加工的精度,導(dǎo)致殘余應(yīng)力消減效果不好,不能生產(chǎn)出內(nèi)部殘余應(yīng)力小的優(yōu)質(zhì)預(yù)拉伸板。厚度方向織構(gòu)梯度較大會(huì)使材料強(qiáng)度出現(xiàn)分層。此外,鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不均勻的織構(gòu)分布。FSW的熱機(jī)影響區(qū)受塑性變形和溫度變化影響,與母材的織構(gòu)成分相比也會(huì)發(fā)生較大變化。4封裝材料中的應(yīng)用合理地控制織構(gòu)將會(huì)極大地提高材料的性能,如織構(gòu)引起的材料宏觀各向異性是導(dǎo)致鋁制易拉罐等材料產(chǎn)生沖壓制耳的主要原因,當(dāng)板材內(nèi)各織構(gòu)組分的體積分?jǐn)?shù)及它們之間的比例處于某一特定范圍時(shí),板材會(huì)表現(xiàn)出較小的各向異性。研究表明,{111}面織構(gòu)有利于明顯降低制耳效應(yīng),提高鋁板的深沖壓性能。大規(guī)模集成電路由于尺寸的小型化,在生產(chǎn)和使用過(guò)程中有較高的故障率,內(nèi)聯(lián)導(dǎo)電鋁膜中高體積量且鋒銳的{111}面織構(gòu)可以大幅度降低大規(guī)模集成電路芯片的失效率。又如高壓電容陽(yáng)極鋁箔中提高立方織構(gòu)的含量能有效提高其電容量等。目前人們對(duì)鋁合金