织构对Al-Fe-Mn铝合金冲压性能的影响_陆伟.pdf

第 卷 第 期上 海 金 属，年 月，基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：陆伟，男，工程师，主要从事铝及铝合金材料的研发、销售、管理工作，：织构对 铝合金冲压性能的影响陆 伟 周 峰，徐 春 尤伟任，单小龙，徐海波，（江苏中天科技股份有限公司，江苏 南通；上海高性能架空导线输电材料与应用工程技术研究中心，上海；上海应用技术大学 材料科学与工程学院，上海；上海中天铝线有限公司，上海）【摘要】以自主研发的 铝合金板材和 个不同批次的进口电池壳盖板用铝板为试验材料，采用单向拉伸试验和杯突试验测定了 种铝合金板的塑性应变比、凸耳参数以及杯突值。通过电子背散射衍射技术测定并计算了铝合金板的取向分布函数和主要织构组分的体积分数，研究了织构对铝板冲压性能的影响。结果表明：自主研发 铝板虽然与进口铝合金板织构组分不同，但通过优化织构组分，即增加 织构组分、减少 织构组分，以及将 织构组分与较高 值的 和 织构组分组合，很好地改善了 铝板的各向异性，由此获得了与进口电池壳盖板用铝板十分接近的成形性能。【关键词】铝合金，各向异性，织构，杯突试验，冲压性能中图分类号：文章编号：（），（，；，；，；，）【】，第 期陆 伟等：织构对 铝合金冲压性能的影响 【】，铝合金板材由于具有高韧性、良好的耐蚀性和疲劳性能以及优异的比强度等优点而被广泛应用于航空航天、汽车制造、自动化等领域。但在铝合金板材自动化大批量生产时，需要铝板具有优良的冲压性能，否则在冲压过程中板材容易变形不均匀、起皱甚至破裂，进而导致冲压件报废甚至引起自动化产线停产。金属板材的塑性应变比 值是评定板材深冲性能优劣的重要参数，值越大，板材抗失稳变薄的性能越好，越不易产生厚向变形，即板材深冲性越好。虽然影响铝板 值的因素很多，但织构是影响 值的最重要因素。铝合金主要有立方织构、高斯织构、黄铜织构、铜型织构和 织构，不同类型的织构不仅影响板材的力学性能，而且显著影响平均塑性应变比（）和面内各向异性（）。根据 等的报道，铝板中立方织构、高斯织构和黄铜织构的体积分数对塑性应变比（）有重要影响。铝合金板材在冲压过程中往往会出现制耳现象。制耳会造成冲压制品壁厚不均以及模具的不均匀磨损等，使生产率降低；当制耳高度较大时，在制耳的波峰或波谷分别有开裂的危险，严重影响产品质量，增大废品率。王国军和沈健等研究了不同类型织构对制耳的影响，发现形变织构（织构）和再结晶织构（织构）会造成很强的 制耳，而再结晶立方织构会造成很强的 或 制耳。因此，合理调控织构组分比例是提高铝合金板材冲压性能和消除制耳现象的关键。本文以自主研发的 铝板为研究对象，运用电子背散射衍射（，）技术并结合拉伸、杯突试验，对比分析了其与进口电池壳盖板用铝板的微观组织和织构的差异，讨论了织构对铝板冲压性能的影响，可为优化调控国产铝合金板材织构、提高其冲压性能提供参考。试验材料与方法试验材料选用自主研发的 铝板和 个不同批次的进口电池壳盖板用铝板，板厚均为 ，分别编号为、和。从铝板上沿轧制方向、和 方向线切割拉伸试样，如图 所示。在 型万能拉伸试验机上以 的速率进行单向拉伸试验，利用 摄影机采集应变数据。采用 软件分析试验数据，获得材料的塑性应变比（值）和凸耳参数（值）。在 型杯突试验机上进行杯突试验，试样尺寸为 ，夹紧力为 ，试验速率为 。图 从铝合金板上线切割拉伸试样的示意图 试样的制备步骤为：从铝板上切取 的矩形试样，机械抛光后用 号砂纸粗磨，采用氧化铝溶液抛光至没有划痕，清洗后再电解抛光；电解液选用成分（体积分数）为 高氯酸 乙醇的混合溶液，电解温度为 、抛光电压为 ，电流为 ，电解时间为 ；将电解后试样依次用水和无水乙醇清洗，再浸没在丙酮或乙醇中保存待用，以避免试样氧化和被污染。在配备 探头的 型场发射扫描电子显微镜上进行 取向分析，并计算取向分布函数（，）和主要织构组分的体积分数，工作电压为 ，扫描步长为 。试验结果与分析 平均塑性应变比（）及平面各向异性参数（值）和杯突值平均塑性应变比（）值与材料的拉深成形性能密切相关。通常板料 值大，拉深成形时有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载性能。而平面各向异性参数（）也称作凸耳参数，能反映平面塑性各向异性的大小，其值可以 上 海 金 属第 卷预测冲压制耳发生位置和制耳率的大小。通常，值越大，深冲时制耳率越大，当 时，凸耳出现在 和 方向；当 时，凸耳出现在方向；时，板材表现为伪各向同性，深冲时不产生制耳。表 为计算所得 种铝合金板的 值、值和 值。可以发现，和 进口铝板在 与 方向的 值几乎相等，但在 方向前者 值小于后者；自主研发的 铝板在与方向的 值略有差别。铝板的 值最大，铝板的最小。种铝合金板的凸耳参数（值）都小于，因此都存在 方向的凸耳。但 铝板的值最小，即在 方向凸耳高度最小，而 铝板的值最大，会影响其冲压性能。表 种铝合金板的塑性应变比（）、平均塑性应变比（）、凸耳参数（）以及杯突值（）（），（），（）试样编号 值 织构组分根据 等的研究，面心立方金属常见织构都在欧拉取向空间的 为、和 等截面上，因此给出了 种铝合金板的、和 截面，如图（）所示，所对应的主要织构如图（）所示。可以看出，种铝合金板的主要织构组分为 织构，及少量、等其他织构。为了进一步确定各织构组分的体积分数，对大面积样品区域进行统计分析，对应的织构组分及其体积分数如图 和表 所示。从图 可以看出，种铝合金板的主要织构组分为 织构，与图 结果一致。两种进口铝合金板中，除了 织构、织构、织构和 织构等再结晶织构外，还存在 织构和 织构等形变织构，以及过渡的 织构。铝合金板的主要织构组分体积分数从高到表 种铝合金板织构的体积分数 织构类型欧拉角（）织构组分体积分数铝板铝板铝板 低依次为 织构（）、织构（）、织构（）和 织构（）。相比 铝合金板，铝合金板的 织构、织构等织构的体积分数更高，但 织构和 织构等织构的体积分数偏低，其主要织构组分体积分数从高到低依次为 织构（）、织构（）、织构（）、织构（）、织构（）和 织构（）。相较于 和 进口铝合金板，自主研发的 铝合金 板 中 织 构 组 分 体 积 分 数 更 高，为，还出现了两种进口铝合金板中没有的 织构（），而其他种类织构的体积分数则很低。值得注意的是，在 铝合金板中没有检测到 织构，根据 等的研究，织构组分在 和 方向的最大施密特因子存在较大差异，不利于板材的各向异性，这可能是 板材各向异性没有降低的原因。讨论 织构优化及其对铝板各向异性的影响铝合金板材的冲压性能主要与加工硬化系数、应变速率敏感性和法向各向异性（值）密切相关。因此，通常采用平均 值来表示板材的厚向异性系数。值越大，板材抗失稳变薄的性能越好，越不易产生厚向变形；值越小，板材抗失稳变薄的性能越差，厚向变形越容易。表示板材不存在厚向异性。板平面方向性通常用 值（板平面各向异性）来表示，值越大，板平面内各向异性越严重，表现在拉延后制件边缘不整齐，有制耳且侧壁厚度不均，影响成形质量。而加工硬化系数和应第 期陆 伟等：织构对 铝合金冲压性能的影响 图 种铝合金板的，和 的 截面（）及所对应的主要织构（），（）（）变速率敏感性通常与合金元素有关。表 为面心立方金属材料中主要织构组分的 和 值，。与 铝合金板相比，铝合金板具有较高平均塑性应变比的 织构（）和 织构（），但两者体积分数均不高，且具有较高 值的 织构组分减少，以及 织构组分增加和 织构组分减少，使 铝合金板的实际 值（）低于 铝合金板（）。上 海 金 属第 卷图 种铝合金板的主要织构组分及其分布 表 面心立方金属中主要织构组分的和 值，织构类型 欧拉角（）各向异性性能 相比较，自主研发的 铝合金板 织构组分明显增加，还出现了 和 铝合金板没有的 织构。当 织构作为单独的织构组分存在时，不利于板平面内各向同性及成形性，然而，织构和其他织构成分的适当混合可以显著提高板材的成形性和面内各向同性。此外，据报道，织构会对晶体取向产生影响进而使整体织构组分更加随机化。杯突试验及塑性应变比的测定结果均表明，织构组分的引入使 铝合金板的织构优化，从而获得了与进口铝合金板接近的 和改进的 值。铝合金板冲压性能的改善杯突值（）可以反映金属薄带在双向拉应力作用下抵抗因厚度减薄而引起的局部颈缩或破裂的性能，值越大，材料的冲压性能越好。根据表，铝合金板的杯突值最大，为 ，而 和 铝合金板的杯突值基本相等，为。尽管自主研发的 铝合金板的杯突值略低于 进口铝合金板，但已十分接近。这表明自组研发的 铝合金板通过织构优化，获得了与进口铝合金板相媲美的冲压性能。铝合金板冲压性能的改善是因为织构组分优化，即 织构组分的增加和 织构组分的引入，织构与相对较高 值的 和 织构组分的混合，使板材的厚向异性降低，冲压性能得到改善。此外，进口铝合金板和自主研发的 铝合金板还存在从立方织构转向 织构的“过渡织构”（图（，），是影响板材冲压性能的潜在因素。结论（）和 进口铝合金板主要织构为 织构、织构、织构、织构、织构和 织构；自主研发 铝合金板主要织构为 织构、织构和少量 织构、织构。（）铝合金板由于 织构组分的增加和 织构组分的引入，织构与较高 值的 和 织构组分的混合，以及对各向异性不利的 织构组分的减少，织构组分优化，从而获得了与进口电池壳盖板用铝合金板十分接近的成形性能。参考文献 ，：（下转第 页）上 海 金 属第 卷 刘靖，彭杰，张备，等 管线钢第二相粒子溶解及奥氏体晶粒长大行为 机械工程材料，（）：侯亮 钛微合金钢的组织演变规律和控轧控冷工艺研究 镇江：江苏大学，：，：李琪，罗家明，刘晓岚，等 方法在钢中残余奥氏体定量测定中的应用 物理测试，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：樊松，刘岗，梁小凯，等 回火温度对 微合金化新型超低碳中锰钢的组织和力学性能的影响 材料热处理学报，（）：修回日期：（上接第 页），：毛卫民，马全仓，冯惠平，等 冲压铝板塑性应变比的在线检测技术 中国有色金属学报，（）：，：，：，：，：马全仓，徐阳，毛卫民 铝板织构对 值及深冲性能的影响 塑性工程学报，（）：王国军 铝及铝合金板带材织构 轻合金加工技术，（）：沈健，张新明 深冲用铝板的织构和各向异性 轻合金加工技术，（）：，翁文达 金属薄板杯突值与力学性能的多元回归分析理化检验（物理分册），（）：，（）：，（）：，（）：，：金属塑性加工卷编辑委员会 中国冶金百科全书：金属塑性加工 北京：冶金工业出版社，修回日期：