深冲紫铜各向异性及织构相关性分析

李学帅; 郭丽丽; 张建波; 王海斌; 郑殿水

doi:10.13264/j.cnki.ysjskx.2020.04.007

深冲紫铜各向异性及织构相关性分析

1.
中色奥博特铜铝业有限公司，山东临清 252600
2.
江西理工大学工程研究院，江西赣州 341000

基金项目:

国家重点研发计划资助项目 2016YFB0301305

详细信息

通讯作者:
郭丽丽（1982—），女，高级工程师，主要从事铜加工方面研究。E-mail:251572057@qq.com

中图分类号: TG379;TF125.2
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出版历程
- 收稿日期: 2019-11-30
- 发布日期: 2020-08-30
- 刊出日期: 2020-07-31

Anisotropy and texture correlation analysis of deep-drawing copper strip

1.
CNMC Albetter Albronze Co., Ltd., Linqing 252600, Shandong, China
2.
School of Engineering Research Institute, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, Jiangxi, China

摘要

摘要: 通过力学性能检测及电子背散射衍射（EBSD）分析，研究了不同加工工艺生产的厚度为0.5 mm的紫铜带的塑性应变比r、平面各向异性系数Δr与材料深冲性能之间的关系，并对纯铜带材的织构进行了分析。结果表明，塑性应变比r值越大，越不易在厚度方向变形，越适合深冲，且需同时满足Δr要小，才能保证每个面上塑性应变比波动幅度较小。织构分析表明，减小成品加工率可以减少形变织构的体积分数，通过加工率与热处理的配合可以控制形变织构和退火织构的配比，合理的配比可以促进深冲紫铜带后杯口四周的制耳相互抵消，各向异性减小，从而保证了紫铜带冲压后边缘的制耳率。
- 铜板带 /
- 铜加工 /
- 各向异性 /
- 织构 /
- 深冲性能
Abstract: The relationship between the plastic strain ratio R, the plane anisotropy coefficient r and the deep drawing property of the copper strip with thickness of 0.5 mm produced by different processing technology was studied by means of mechanical property test and electron backscatter diffraction analysis. And the texture of pure copper strip was analyzed. The results show that the larger the plastic strain ratio R is, the more difficult it is to deform in the thickness direction, and the more suitable for deep drawing. Texture analysis shows that the volume fraction of deformation texture can be reduced by reducing the processing rate of finished products. And the ratio of deformation texture and annealing texture can be controlled by combining processing rate with heat treatment. The reasonable ratio can promote the ear-making around the cup mouth of deep-drawing red copper belt to cancel each other and reduce the anisotropy, thus ensuring the ear-making rate of red copper belt after stamping.
- copper strip /
- copper processing /
- anisotropy /
- texture /
- deep drawing property

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随着我国经济的快速发展，环境污染问题和能源短缺问题日益突出.据统计，全球石油开采将在未来几十年内面临枯竭，而我国原油对外有很大的依赖，并且我国交通运输产业对石油产品的消耗占比超过50 %^[1]，而汽车轻量化是解决当前面临问题的有效途径^[2-7].铝合金比重小，仅为2.68 g/cm是钢的0.3倍，同等弯曲刚度条件下，铝和钢的厚度比为1.43，可以减轻车身重量的43 %^[8-10].近年来，奥迪、福特、捷豹、路虎等都采用了全铝车身框架设计^[8]，不仅如此，对在新能源汽车领域铝合金的应用比例更为可观，铝镁合金将成为汽车轻量化的主流材料^{[11, 12]}，而5XXX铝合金作为车身用的主流板材之一，其具有相当于普碳钢的强度，成形性以及抗腐蚀性能，人们对5XXX系和6XXX系等变形铝合金的组织演变规律已经进行了大量的研究^[13-19]，但实际加工过程中容易出现橘皮组织和吕德斯线等表面缺陷^[20].采用动态材料模型构建合金的热加工图的方法已在铝、镁、铜、钛、钢等合金材料中得到广泛应用^[21-26].对5182铝合金的热变形行为进行研究，旨在构建与之相对应的流变应力方程和热加工图，为实际生产提供理论支撑.

1 实验材料及方法

先对合金板材进行均匀化退火，退火制度为470 ℃×10 h，再采用线切割的方法，制取高度为15 mm，直径为10 mm的压缩试样，合金成分见表 1.然后在MMS-100热模拟实验机上，以10 ℃/s的速度将温度升至300~500 ℃保温120 s，再依次对试样分别施加20 %、40 %、55 %的压缩量，变形速率控制在0.01~10 s^-1范围，最后在水中淬火以保留变形组织.

表 1 5182铝合金板材成分/（质量分数，%）

Table 1. 5182 Aluminum alloy sheet composition /(massfraction, %)

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2 结果与讨论

2.1 5182铝合金真应力-真应变曲线

从图 1可以看出，5182合金在变形初期，随应变量的增加合金的流变应力增长迅速，这是由于加工过程中加工硬化占主导地位的缘故；而继续增大应变量会致使流变应力达到峰值后保持在某个固定值附近，原因是加工硬化和动态软化处于动态平衡状态. 图 1(a)中=0.01 s^-1时，流变应力快速增至峰值应力后迅速回复到某一稳定值，说明发生了动态再结晶；而=0.01~1 s^-1时，流变应力达到峰值之后并未降低而是呈现水平流线状稳定在某一数值，说明此时合金发生了动态回复；图 1(d)中=10 s^-1时，动态软化和加工硬化不能相互抵消而使状态处于动态平衡，真应力-真应变曲线出现锯齿状波动.材料的流变应力在恒定的应变速率条件下与变形温度呈相反趋势，这是因为温度越高，材料的动态回复速度远大于加工硬化速度而使软化效果显著，因而造成流变应力的降低.

图 1 5182铝合金热变形真应力-真应变曲线

Figure 1. True stress-true strain curve of 5182 aluminum alloy hot deformation

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由图 2可知，合金在400 ℃时，其流变应力随应变速率的增加而上升，此时有动态回复和动态再结晶的发生.值得指出的是，应变速率处于0.01~0.1 s^-1时，合金具有充足的时间使得畸变能储存到一定程度来促使动态再结晶的发生；而在应变速率为10 s^-1时，由于应变速率高而使材料在短时间内产生大量的应变储能，动态回复不能在短时间内抵消形变过程产生的加工硬化效应，从而导致“温升效应”的产生，进而促使动态再结晶的发生.

图 2 变形温度为400 ℃时真应力-真应变曲线

Figure 2. True stress-true strain curve at 400 ℃ deformation temperature

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2.2 动力学分析

合金在高温条件下压缩，其流变应力σ很大程度上取决于变形温度T、应变速率这2个重要参数，而，σ，T之间的关系可以用如下方程式表示：

(1)

式(1)中：为应变速率(s^-1)，R为摩尔气体常数[8.314 J /(mol·K)]，T为绝对温度(K)，Q为热激活能(kg/mol)，A为结构因子(s^-1)，α为应力水平参数(mm²/N)；n为应力指数.要描述材料的高温流变特性只需确定Q，n，A以及α等4个参数.而α=β/n′, n′为lnσ~ln曲线(图 3)斜率的平均值，β为σ~ln曲线(图 4)斜率的平均值，曲线的数据来源见表 2.

图 3 lnσ与ln

的关系

Figure 3. Relationship between lnσ and ln

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图 4 σ与ln

的关系

Figure 4. Relationship between σ and ln

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表 2 5182铝合金不同变形条件下峰值应力实验值/MPa

Table 2. The peak stress experimental value of 5182 aluminium alloy under different deformation conditions/MPa

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应变速率一定的情况下有：

(2)

令，则曲线1/T~ln[sinh(ασ)](图 5)的斜率的平均值为K；曲线ln[sinh(ασ)]~ln(图 6)斜率的平均值为n.

图 5 ln[sinh（ασ）]~1000/T曲线

Figure 5. Curve ln[sinh(ασ)]~1000/T

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图 6 ln[sinh（ασ）]~ln

曲线

Figure 6. Curve ln[sinh(ασ)]~ln

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根据Zener-Hollonmon参数=A[sinh(ασ)]ⁿ可得下式

(3)

根据表 2和式(2)作曲线(图 7)ln[sinh(ασ)]~lnZ求得参数A，数值详见表 3，获得合金的流变应力方程(式(4))，经验证，实验所得峰值应力和计算所得峰值应力误差小于10 %.可以很好的考证实验数据的准确性.

图 7 5182铝合金lnZ与ln[sinh（ασ）]的关系

Figure 7. Relationship between 5182 aluminum alloy lnZ and ln[sinh(ασ)]

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表 3 5182铝合金本构方程相关参数

Table 3. Related parameters of 5182 aluminum alloy constitutive equation

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(4)

2.3 5182铝合金加工

由动态材料模型(DMM)可知，若应变和温度一定，则流变应力与应变速率满足下列方程式：

(5)

式(5)中，K、m均为常数，并且有：

(6)

功率耗散效率η为：

(7)

流变失稳判据：

(8)

由图 8可知，ε=0.4条件下，合金的功率耗散效率与应变速率呈现应变速率越大而功率耗散效率越小的规律，并且在应变速率为0.01 s^-1，温度达到450 ℃时，合金的功率耗散效率最高约为60 %，而功率耗散效率在不同应变速率条件下相差较大，即实际变形过程中消耗的能量相差较大.

图 8 ε=0.4时5182铝合金功率耗散效率

Figure 8. Power dissipation efficiency of 5182 aluminum alloy at ε=0.4

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由图 9可以看出，在ln较小，温度为440~500 ℃时，功率耗散效率最大，随着温度的降低和ln的增大，功率耗散效率呈下降趋势.从图 10和图 11中可以看出在应变ε=0.4时，合金在300 ℃到400 ℃，440 ℃到500 ℃之间，ln大于-1.5后有2个流变失稳区域，颜色越深表示失稳现象越严重.结合图 11可知在应变量ε为0.4，应变速率在0.3~10 s^-1之间的情况下，在300 ℃到500 ℃温度范围进行热加工很容易产生加工失稳，此时不能对材料性能进行有效控制，因此需避开此区域进行热压缩变形.而合金在450 ℃附近较低应变速率下进行热加工可以有效避免加工失稳现象的发生.

图 9 5182铝合金的加工功率耗散效率

Figure 9. Process power dissipation efficiency of 5182 aluminum alloy

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图 10 5182铝合金的加工失稳图

Figure 10. Process instability diagram of 5182 aluminum alloy

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图 11 5182铝合金加工图

Figure 11. 5182 aluminum alloy processing map

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3 结论

1) 在温度升高、应变速率降低时，5182铝合金的流变应力逐渐减小；高温条件下，合金均会发生动态再结晶，而应变速率对其影响可以忽略；真应力-真应变曲线在高应变速率条件下会产生锯齿状波动.

2) 5182铝合金的流变应力方程为：

3) 处于420~500 ℃温度范围，低应变速率(0.01~0.1 s^-1)条件下，真应变是0.4时，合金存在一个高功率耗散因子区域，并且η可超过41 %；应变速率为0.01~0.1 s^-1时合金存在较大的安全加工区域，并且在450 ℃附近加工性能较好.

图 1 不同方向的拉伸试样

Fig 1. Tensile specimens in different directions

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图 2 冲杯后制耳示意

Fig 2. Cup-eared lugs

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图 3 方案1试样经X射线衍射后得到的ODF截图

Fig 3. Screenshot of ODF obtained after solution X-ray diffraction

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图 4 方案2试样X射线衍射后所得ODF截图

Fig 4. Screenshot of the ODF obtained after X-ray diffraction in scheme two

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表 1 形变热处理工艺

Table 1 Test protocol process requirements

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表 2 不同方案试样力学性能及平面各向异性系数

Table 2 Three schemes mechanical properties and plane anisotropy coefficient

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表 3 不同方案试样对应的塑性应变比及各向异性参数

Table 3 Corresponding plastic strain ratio and anisotropy parameters of the three schemes

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表 4 方案1试样织构组成及其体积分数

Table 4 Main texture components and volume fractions of finished copper products in scheme one

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表 5 方案2试样主要织构组成及其体积分数

Table 5 The main texture components and volume fraction of the finished copper product in scheme two

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1 实验材料及方法
2 结果与讨论
2.1 5182铝合金真应力-真应变曲线
2.2 动力学分析
2.3 5182铝合金加工
3 结论

深冲紫铜各向异性及织构相关性分析

通讯作者: 郭丽丽（1982—），女，高级工程师，主要从事铜加工方面研究。E-mail:251572057@qq.com

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