复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟_陈守东.pdf

，.，.基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（；）；安 徽 省 自 然 科 学 基 金（）；安 徽 省 重 点 研 究 与 开 发 计 划 项 目（）；安徽省高校优秀青年人才支持计划项目（）；安徽省高校优秀青年科研项目（）；铜陵学院重点培育项目（）（，），（），（），（），（）（）：.复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟陈守东，陈敬琪，李 杰，孙 建，卢日环 铜陵学院机械工程学院，安徽 铜陵 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳 铜陵学院工程液压机器人安徽普通高校重点实验室，安徽 铜陵 燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 随极薄带厚度的进一步减薄，轧制极薄带变形由于轧件厚度 晶粒尺寸比值小的尺寸效应和变形程度导致各向异性与局部化已完全不同于轧制厚件时的变形特性。采用具有拉拔压缩剪切复合成形功能的微型异步轧机开展系列厚度铜极薄带的箔轧实验，结果表明复合成形轧制工艺和极薄带尺寸显著影响轧制力能参数与箔材质量。宏观有限元理论已不再适用出现这些新现象的极薄带轧制变形的建模。将嵌入初始晶粒形貌和取向等微观组织结构信息的介观晶体塑性有限元模型（）用于复合成形条件下铜极薄带轧制变形局部化的模拟与分析，指导箔轧工艺优化和提高箔材质量。晶粒层次的晶体塑性有限元模型，准确预测了单层晶铜极薄带轧制变形局部化的现象和趋势，模拟与实验的轧制力吻合较好，尤其是各向异性。随上下工作辊异速比的增大，箔材厚度方向剪切变形增强，变形带、滑移带形成且局部化趋势显著。晶粒变形局部化的差异，对轧制制备极薄带材的控形控性造成困难。关键词 极薄带轧制 铜箔 晶体塑性 有限元分析 变形局部化中图分类号：文献标识码：，（），引言随着新基建战略、基站建设、新能源电池、微机械等领域的快速发展与迫切需要，对高性能金属极薄带材的需求急剧增大同时对极薄带材制备技术提出了更高的要求。其中，具有高效导电性能和力学性能的轧制铜箔是 基站、微电子、微机械和锂离子电池集流体等的关键部件基础材料，轧制铜极薄带材的内部微观组织结构状态、板形、表面质量以及成形性能等直接影响微电子器件和微结构整体性能的提升。制造微机械和微电子器件等微结构的材料是采用微成形技术制备的厚度通常为 的金属极薄带材，但随着微制造对尺寸更小更精确和性能更优的微结构的需求越来越迫切，对制备这些微结构的金属极薄带材厚度尺寸要求越来越薄。根据制备工艺的不同，铜箔主要有轧制铜箔和电解铜箔两类，轧制铜箔的力学性能明显优于电解铜箔，比如具有较高强度的电池集流体在循环和维持电化学反 应稳定时不易发生变形。异步冷轧工艺（同辊径不同速）可显著降低轧制力和轧制力矩，再对轧制试样施加前后张应力和一定道次压下量，在拉拔压缩剪切复合成形条件下更易制备厚度更薄、尺寸精度更高、性能更优以及板形良好的铜极薄带材，同时无需进行中间退火处理，可有效降低制备成本和提高箔材表面质量。利用自主设计制造的拉压剪复合成形微型轧机成功制备出厚度尺寸为 的系列铜极薄带材，在这些箔材的厚度方向上只分布数量较少（甚至厚度上只分布一层晶粒单层晶）的晶粒，一般称为类竹节晶或少晶组织。在箔轧过程中，出现了一些新的现象，如尺寸效应、轧制软化和箔材表面周期横纹等，初步分析跟箔材内部组织状态和外部成形条件有关，更深层次的机理需要从微观介观层次进行研究分析。晶粒各向异性的复杂程度、各晶粒取向差以及相邻晶粒对变形的影响，造成了从晶粒尺度上分析多晶体变形微观机制的困难。虽然使用施密特因子等方法可以进行一些相对简单的分析，但这些方法每次只能考虑单个晶粒，忽略相邻晶粒对其变形的影响。然而，基于晶粒几何结构参数和晶粒间相互作用建立的晶体塑性模型可以很好地满足晶粒间的应力与应变平衡，可以进行晶粒间相互作用的分析与模拟。早期的晶体塑性模型可以建立晶粒间的应变平衡或应力平衡，被广泛用于变形过程中织构演化分析。后来又开发出松弛约束模型和自洽模型等多晶体模型，该类模型将单个晶粒的变形行为与多晶体变形联系起来。晶体塑性有限元模型（）采用连续有限单元法可同时满足晶粒间应力和应变的平衡以及晶粒间的变形协调性，晶体塑性有限元模型已成功用于研究分析各类金属单晶体和多晶体在变形过程中的织构演化、微观变形行为、工艺优化以及微尺度效应。尽管晶体塑性有限元模型可以预测晶粒尺度的变形行为，但是将其应用于轧制制备金属极薄带材的研究还很少，这主要是因为金属极薄带材轧制变形的复杂性和微尺度效应，同时准确构建晶粒尺度的极薄带轧制模型较为困难。因此，为精确构造极薄带轧制模型和有效预测极薄带晶粒微观性质对其轧制微观变形规律的影响，一般对晶粒结构模型进行简化处理，如单晶模型和少晶模型，但单晶体模型忽略晶界的作用，应用最多的是少晶模型，即在构件厚度方向上只分布 个晶粒，这种少晶模型（）可有效分析晶体取向、晶粒结构以及晶粒间相互作用。基于少晶结构建立的晶体塑性有限元模型可有效和实验结果进行定量对比，被用于研究分析微观硬化行为、变形织构演化、晶内和晶间变形、晶粒和构件的变形形貌以及滑移系启动。但这些研究将材料变形过程简化成简单变形（应力状态）状态，如单向拉伸、剪切、平面压缩等，缺少对实际加工制备工艺条件的考虑，尤其对于极薄带材轧制成形过程，其微观变形特性完全依赖于外部加工条件（复合成形轧制）和材料内部结构（极薄带晶粒结构）。本工作利用自行设计制造的拉压剪复合成形功能微型轧机开展系列铜极薄带材的箔轧实验（冷轧），测定轧制力曲线。利用晶粒生长模型建立在铜箔厚度方向上只分布有一层晶粒组织的少晶极薄带几何模型，编写晶粒取向赋予程序，建立拉压剪复合成形条件下轧制铜极薄带的晶体塑性有限元模型，用于分析复合成形轧制少晶极薄带材的微观变形行为。模拟分析了晶内晶间应力应变分布、滑移演化和晶体转动以及轧制方式和异速比对微观变形行为的影响。箔轧实验微型异步轧机如图 所示，该微型轧机为四辊轧机，压下螺丝下放置压力传感器，工作辊直径为 ，辊身长度为 ，两个工作轧辊采用单独电机传动，可实现上下轧辊异速比的在线调控，在轧制线前后各布置一台张力卷取电机，可对轧件施加可调的前后张力，。对原始厚度为 的铜板进行系列道次的极薄轧制，获得了厚度尺寸为 且板形良好的一系列铜极薄带材，在厚度大于 时，道次压下率设置为 ，异速比设置为，前后张力设置为 ；在厚度小于 时，道次压下率设置为 ，异速比设置为 ，前后张力设置为。对厚度 和 的铜极薄带进行真空退火处理，退火温度分别为 和，保温时间分别为 和 。测得厚度 和 的铜极薄带经过上述退火后的平均晶粒直径分别为 和 ，在厚度 的铜极薄带厚度方向上只分布有 层晶粒组织，在厚度 的铜极薄带厚度方向上分布有 层晶粒组织，即获得了少晶铜极薄带材。对厚度 和 的少晶铜极薄带材进行轧制减薄，测得上下轧辊的轧制力时间曲线如图 所示，轧制较厚铜极薄带上下轧辊的轧制力变化趋势基本一致，且差异较小；轧制较薄铜极薄带上下轧辊的轧制力差异很大，各向异性显著，变化趋势不同，甚至出现相反趋势；特别在轧制开始和终了阶段，可见轧件厚度方向上分布的晶粒个数显著影响极薄带轧制变形的特征和各向异性。图 复合成形极薄带轧机 图 复合成形轧制两种厚度铜极薄带的轧制力时间关系对比 复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟 陈守东等 晶体塑性及复合成形轧制极薄带建模 晶体塑性采用 等提出的适合面心立方金属（）的率相关晶体塑性有限元模型，对箔轧实验中单层晶铜极薄带的轧制变形行为进行模拟。该模型基于变形梯度分解理论，：（）式中：和 分别表示弹性和塑性变形梯度。总的变形速度梯度 也可分解为弹性变形速度梯度 和塑性变形速度梯度：?（）启动滑移系上的位错滑移导致了累积塑性变形，其塑性变形速度梯度可表示为：?（）（）式中：为启动滑移系个数；和 分别表示启动滑移系 的初始滑移方向和滑移面法向；?为滑移系 的滑移率，其可表示为该滑移系分剪切应力和滑移阻力的指数形式。?（）式中：?为滑移系 的参考剪切率；为滑移系 的分剪切应力；为滑移系 的滑移阻力；为率敏感系数。本工作研究的是铜极薄带材，其塑性滑移在 滑移系上进行，滑移系的定义如表 所示。表 滑移系定义 滑移系编号滑移面滑移方向滑移系编号滑移面滑移方向 （）（）（）（）本工作采用的晶体塑性模型同时考虑了滑移系本身自硬化和滑移系间潜在硬化行为，滑移系 的滑移阻力率表示为：?（）（）（）()()（）式中：为自硬化系数；为潜硬化系数；?为滑移系 的滑移率；为潜硬化与自硬化比；为参考剪切应变；和 分别为滑移系和的累积滑移；为初始硬化率；为易滑移阶段的硬化模量；为初始临界分剪应力；为临界分剪应力阈值；为滑移系和的相互作用系数，用五个常数来表示。本工作所采用晶体塑性有限元模拟的材料和滑移硬化参数如表 所示，这些参数通过拟合系列厚度铜极薄带单轴拉伸试验曲线与晶体塑性模拟曲线而获得，详细过程可参考陈守东等，研究工作。表 晶体塑性有限元模拟参数?晶体塑性有限元模型根据退火后单层晶 厚度铜极薄带材沿其厚度方向的极图结果，经完全退火后的铜箔取向随机分布，采用自编程晶粒取向赋予程序，将随机取向分布嵌入到单层晶轧制模型，如图 的极图所示。图 为复合成形条件轧制示意图，工作辊直径为 ，设置为弹性体（极薄带轧制时轧辊的弹性变形会影响轧制变形区的应力分布，需要考虑轧辊的弹性变形）；道次压下率设置为 ；上下轧辊异速比设置为、和 ；前后张力设置为 。为分析晶界附近的局部变形特性，采用四边形网格离散模型，每个晶粒平均包含 个 单元，根据已有研究结果满足分析晶内晶间变形的要求，建立的单层晶（少晶）铜极薄带有限元模型如图 所示，图中颜色表示为各晶粒的取向，在编号为 和 的两相邻晶粒建立了垂直晶界 和平行晶界 的两条路径用于分析晶界附近的微观变形特性。图 为同步轧制和两种异步轧制变形后轧制变形区晶粒形貌分布，两种轧制方式变形后，都使原来垂直于轧制方向的晶界发生了弯曲，无论晶粒内部还是晶粒上下表层位置的网格都发生了畸变，各晶粒的变形形貌和网格畸变差异很大，同步轧制时极薄带上下部分的变形不再对称，晶界和网格的变形程度随着异速比的增加而增大。图 单层晶铜极薄带的（）初始晶粒取向和（）复合成形轧制示意图（）（）结果与讨论采用建立的晶体塑性有限元模型对轧制单层晶铜极薄带的局部微观变形特性进行模拟，图 和图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区沿轧件厚度方向应力分量和真应变分量的计算结果。从 平面的应力分量分布可知，各晶粒内的应力分量分布和数值大小差异很大，晶粒、材料导报，（）：图 （）单层晶铜极薄带有限元网格轧制试样；（）异速比 为 、和 的模拟轧制区变形（电子版为彩图）（）；（），（）（）图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带 平面内的应力分布（电子版为彩图）（），（）（）图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带 平面内的应变分布（电子版为彩图）（），（）（）复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟 陈守东等 晶粒 和晶粒 内出现了应力集中，而晶粒 内几乎分布很小的应力，在异步轧制条件下，晶粒 和晶粒 内出现了相反方向的应力（晶界位置），随着异速比的增加，在晶粒内部的应力分布区域逐渐扩展，如晶粒 在异速比 轧制时出现了新的应力集中区域，晶粒 内一开始形成的方向相反的应力随着异速比的增加而扩展，形成新的应力带，在晶粒上下边界、晶界和晶粒内部都会出现应力集中区，同等工艺条件下，异步轧制工艺更易在极薄带厚度方向形成多条应力集中区域。图 的真应变分量分布也具有类似的规律，在当前变形条件下，出现了易变形晶粒和难变形晶粒，不但各晶粒之间的应变分布差异较大，而且单个晶粒内部的变形分布也很不均匀，如晶粒 和晶粒 为较易变形晶粒，晶粒 为较难变形晶粒，晶粒 的四周区域为易变形区域，而其中心区域则几乎仅产生很小变形，采用异步轧制制备的极薄带材更易在其厚度方向上产生变形带，如晶粒 和晶粒 在异步轧制变形时分别形成了与轧制方向平行的两条和一条变形带，随异速比的增加，易变形晶粒内部的变形带逐渐扩展扩大。从上述轧制变形区内的应力应变分布可知，由于单层晶极薄带的特殊晶粒组织结构，在复合成形条件下出现了变形的局部化现象，同时在晶界附近的变形特性明显区别于晶粒其他区域，因此进一步对晶界附近的微观变形进行分析显得尤为必要。图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内沿晶粒 晶界路径上应力分量的计算结果。如图 所示，沿晶界具有很好的一致性，其值在晶界两侧的变化趋势一致且差值很小，沿晶界从下到上，应力分量的波动程度增大，在晶界上表面附近波动最大，这与晶粒 晶界附近的应力应变分布相关，沿晶界从下到上应力分量值发生了负正的变化，即应力方向发生改变，随着异速比的增加，晶界两侧的应力分量差值变大，且波动程度也明显增大，在晶界中段出现了应力稳定阶段，这与在晶粒 晶界中图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带沿晶界附近（）和（）应力分布 （）（）段没有出现应力集中区和变形带是相互对应的。如图 所示，同步轧制时，沿晶界呈对称分布，其值在晶界两侧为正负数值分布，沿晶界从下到上，先保持不变，中间逐渐减小，最后逐渐增大且稳定；随异速比增加，在晶界两侧不再对称分布，在晶界左侧晶粒 内沿晶界的变化较小，但在晶界右侧晶粒 内沿晶界的变化差异显著增大且波动性也增大，当异速比为 时，在右侧晶粒 内沿晶界变化趋势与异速比 和同步轧制时的相反，这与在晶界右侧晶粒 内形成的变形带相对应，即随着异速比的增加，在晶粒 内形成了多条与轧制方向呈一定角度的变形带，甚至出现方向相反的细窄变形带。通过以上分析可知，复合形成轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内的局部应力应变分布和晶粒变形形貌是与其晶界附近的局部应力分布直接相关的。图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内垂直晶粒 晶界路径和沿晶粒 晶界路径上应变速率分量的计算结果。如图 所示，应变速率分量在晶界两侧都出现了从正值到负值的变化，但在晶界右侧晶粒 内的变化率明显大于晶界左侧，在晶界上出现了不连续，发生跳跃，在晶界左侧为负值，而在晶界右侧则为正值，在晶界上的波动程度和差异明显大于晶界的上下段，在晶界上下段保持稳定；同步轧制时晶界两侧应变速率分量明显区别于异步轧制，随着异速比的增加，应变速率分量在晶界两侧的变化率增大，同步轧制时，在晶界右侧晶粒 内则出现先增加后减小的变化趋势；总体而言，晶界左侧晶粒 内的应变速率分布较晶界右侧晶粒 内平稳。如图 所示，应变速率分量沿着晶界方向并不是呈对称分布，异步轧制时，应变速率分量的值沿着晶界都发生了正负的变化，表明在拉拔压缩剪切复合应力状态下在晶界两侧产生了相反方向的变形速度，变形速率方向交替转化，晶界附近的变形较晶粒内部激烈和复杂；同步轧制时，沿晶界变化趋势一致，其值从晶界下图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带晶界附近（）和（）的应变率分布 （）（）材料导报，（）：段到上段先迅速增大到最大值而后逐渐减小，最小保持稳定，同时晶界两侧的差值也逐渐减小；变形速率在靠近晶界上下段时波动最大，这与该处的应力应变状态相关联。单层晶极薄带在其厚度方向只分布有一层晶粒，单个晶粒变形的性质对极薄带整体变形产生主要影响，晶粒变形受到周围相邻晶粒的限制较小，单个晶粒的变形异向性更加凸显，因此在晶粒内部和晶界附近出现变形集中和局部化，单层晶极薄带在轧制变形中，其上下表面直接与工作辊接触，其上下接触面为受限变形表面，又因为晶粒取向的差异和晶界的变形特性，在晶界附近和晶界靠近极薄带上下表面部分以及晶粒内部和晶粒表层区域表现出不同的变形特性，出现易变形晶粒和晶粒内部的易变形区域，特别是在晶界靠近极薄带上下表面部分的变形不稳定性较大，这对极薄带材的表面质量、板形和极限轧制厚度造成影响。室温下减免退火低成本制备金属极薄带材的困难很大，为进一步降低轧制力（除施加压下外），在轧制变形区形成拉压剪复合应力状态，采用异步轧制在极薄带厚度方向形成额外剪切变形，剪切变形可以进一步对极薄带减薄和提高极薄带质量，特别是生产厚度小于 的金属极薄带材，异步轧制造成在箔材厚度方向上的速度差，形成更多细窄的剪切带且微观变形较为稳定，以上分析表明，异步轧制制备铜极薄带的微观变形特性明显区别于同步轧制，通过轧制变形区微观变形和晶界附近变形局部化的计算结果，拉压剪复合轧制制备铜极薄带比同步轧制更具可行性。图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带晶粒 表层和中心特定位置滑移系启停状态。在晶粒表层区域，都有六个滑移系、和 被激活滑移在同步和异步轧制变形，、和 沿正方向滑移，、和 沿负方向滑移，六个启动滑移系在同步和异步轧制变形中的滑移规律相似，先被激活滑移，而后激活其他滑移系的启动滑移，只是滑移系 在异步轧制变形时滑移更强；在晶粒内部中心区域，同步轧制时共有七个滑移系被激活滑移，而异步轧制时共有九个滑移系被激活滑移，其中 和 为新增启动滑移系，只有滑移系、和 在同步和异步轧制变形中的滑移规律相似，滑移系、和 在异步轧制变形中滑移更强且 的滑移状态变化更加剧烈；同等条件下，异步轧制能激活更多滑移系参与滑移运动，不同位置处的滑移系运动状态差异较大，即启动滑移系数目及其滑移状态。图 （）同步和（）异步轧制单层晶铜极薄带晶粒 表层和中心处滑移系启动状态（电子版为彩图）（）（）图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内部分变形晶粒启动滑移系数目的演化结果，铜极薄带在轧制变形中可动滑移系有 个，但在 平面内可启动滑移系总数为八个，由图可知，在轧制变形过程中，各晶粒和单个晶粒内部的不同区域启动滑移的数目有很大差异，在变形的某一时刻，在变形晶粒内部的某些区域存在滑移系没有被启动滑移，出现非滑移区域（难变形区或非变形区），晶界附近启动滑移系的数目与其微观变形和晶界变形形貌一致；同步轧制时，晶粒 和晶粒 的上表层区域先启动滑移最多，进一步变形，启动滑移系向晶粒 内部扩展，同时在晶粒 的中心区域形成滑移集中区；异步轧制时，晶粒 和晶粒 在开始变形阶段启动滑移系最多的区域明显增大，同时晶粒 内部的非滑移区域明显减小。由于轧制极薄带的特殊晶粒组织结构，在晶粒不同位置处的启动滑移系滑移运动存在差异，随着异步轧制异速比的增加，可激活更多的滑移系参与滑移运动，各晶粒和单个晶粒内部区域被启动滑移的滑移系增多，非滑移区域减小；同等条件下，异步轧制变形时变形晶粒内的启动滑移系数目分布更加均匀。复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟 陈守东等 图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带启动滑移系数目的演化（电子版为彩图）为进一步分析单层晶铜极薄带轧制变形局部化的微观机制，图 和图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带特定滑移系 和 的启动和滑移演化计算结果。由滑移系 的滑移运动演化结果可知（见图），在同步轧制时，先在晶粒 的右侧晶界的中间位置被激活，而后沿着轧制方向的反方向快速向晶粒中心扩展滑移，形成与轧制方向平行、宽度约 的中心滑移带，轧制在晶粒 的左侧晶界停止滑移，在整个变形过程 没有在晶粒 和晶粒 内被激活滑移；在异速比 的异步轧制时，滑移系的滑移运动规律基本跟同步轧制相似，但在开始变形阶段 就在晶粒 中形成了与轧制方向平行、宽度约 的中心滑移带，滑移区域进一步扩大，出现滑移带分解的趋势，仍然没有在晶粒 和 内被激活滑移；在异速比 的异步轧制时，滑移系的滑移状态完全不同于前面两种工艺，先在晶图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带滑移系 的启停和扩展演化（电子版为彩图）材料导报，（）：粒 的右侧晶界中间和其中心位置被同时激活，形成两个不连续的滑移带，宽度分别为约 和 ，随变形的进行，两个滑移带同时沿着轧制方向和厚度方向扩展，形成一个更大的平行轧制方向的滑移带，厚度达到，轧制停止在晶粒 左侧晶界，在晶粒 右侧晶界附近被局部激活滑移，滑移较弱；在同步和异步轧制变形中，滑移系 在晶粒 的上下表层局部区域没有被激活滑移。由滑移系 的滑移运动演化结果可知（见图），在同步轧制时，先在晶粒 的左侧晶界和晶粒 上下表层位置被激活，在晶粒 上下表层区域形成两条宽度约 与轧制方向近似平行的滑移带，随进一步变形，向晶粒 内部扩展滑移，轧制终了停止在晶粒 和晶粒 的上下表层位置；在异速比 的异步轧制时，滑移系的滑移运动规律基本跟同步轧制相似，但非滑移区域减小；在异速比 的异步轧制时，先在晶粒 的右侧晶界和其上表层以及晶粒 上下表层被激活滑移，进一步变形，在晶粒 内形成两条宽度约 和 且与轧制方向呈夹角的滑移带、在晶粒 上下表层形成两条宽度约 的平行轧制方向的滑移带。通过以上分析表明，滑移系优先在晶界和晶粒表层附近被激活滑移，随轧制变形进行，形成与轧制方向呈一定角度的滑移带，随着异速比的增加，初始滑移带出现分解趋势，形成多条细窄滑移带，启动滑移系的滑移区域扩大；采用异步轧制制备金属极薄带材可以激活更多滑移系参与滑移运动，有利于极薄带的进一步轧制减薄和板形控制。图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带滑移系 的启停和扩展演化（电子版为彩图）采用拉压剪复合成形工艺轧制制备单层晶铜极薄带材，其微观变形特性表现出明显的局部化变形趋势，即使是在同一晶粒内部不同区域由于取向差和晶内晶界性质差异造成滑移和变形的局部化，复合成形条件（异速比）和晶粒结构（单层晶）影响轧制单层晶铜极薄带局部化变形的行为，图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内晶粒 和晶粒 的变形形貌和晶内晶界剪切率计算结果。由图 可知，在晶粒 中心区域附近形成了一个很大范围的负方向剪切变形区，该负方向剪切变形激发了在晶粒 左侧晶界下段形成一个局部正方向剪切变形区，晶粒 内的剪切变形分布均匀；由图 可知，在晶粒 中心区域附近形成了一个负方向剪切变形区，同时在晶粒 四周区域形成了一个正方向的剪切变形区，在晶粒 的右侧晶界和其上下表层区域形成了局部负方向剪切变形区；由图 可知，该局部剪切变形分布与异速比 异步轧制时相似，但晶粒 上表层的剪切变形带分解细化，晶粒中心的负方向剪切区域缩小，同时在晶粒 和 共同晶界附近产生局部剧烈剪切变形。随着异速比的增加，在晶粒 中心区域形成的负方向剪切变形区逐渐缩小，同时在该晶粒上下表层区域形成较强的正方向剪切变形带（异步轧制），且正方向剪切带逐渐分解成细窄剪切带并向晶粒中心扩展，在晶界附近的剪切变形逐渐剧烈，晶粒 内的剪切变形局部化趋势更加显著，甚至在异速比 的异步轧制时晶粒 上下表层出现方向相反的剪切变形。在同等工艺条件下，异步轧制改变轧制极薄带变形区内的应力分布，造成晶粒变形的局部化，例如：晶粒 在异步轧制变形时其晶粒中心和上下表层区域形成相反方向的剪切变形带，改变了轧制变形区内的应力状态，为微观裂纹的形成提供可能，这种剪切变形可引起晶粒的异常转动，从而影响极薄带的轧制减薄极限和板形。图 为同步和异步轧制单层晶铜极薄带轧制变形区内晶粒 变形后取向分布，其中极图中青色实方框为晶粒变形前的初始取向。复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟 陈守东等 图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带晶粒 和晶粒 的变形形貌及应变率分布：（）；（）；（）（电子版为彩图）（），（）（）图 不同异速比轧制单层晶铜极薄带晶粒 的变形前后极图：（）；（）；（）（），（）（）由晶粒 变形前后的极图结果可知，经过同步和异步轧制变形后晶粒取向都发生了改变，主要绕横向 转动，同步轧制时绕 顺时针转动，异步轧制时绕 顺时针转动，而 异步轧制时，变形后晶粒取向同时绕 进行逆顺时针的转动，逆时针转动，顺时针转动；随着异速比的增加，变形后晶粒取向除主要绕 转动以外，还出现了向轧制方向 的偏转，这与在晶粒上、下表层和中心位置形成方向相反的剪切变形相一致，同时变形后晶粒取向的离散程度也增大，这为亚晶的形成提供条件，晶粒变形更加剧烈，可引起微观裂纹源的形成和扩展，降低极薄带轧制减薄极限。单层晶极薄带独特的微观组织，在晶内、晶界以及晶粒表层区域出现变形的局部化，同时拉压剪复合成形条件显著影响极薄带轧制变形行为，这些研究成果可为低成本制备高性能金属极薄带材提供理论和实验指导。结论采用拉压剪复合成形功能的微型异步轧机开展铜极薄带材轧制制备实验，少晶极薄带的轧制力能参数变化较为剧烈，晶内和晶界有明显的变形局域性，极薄带的晶粒组织和复合成形条件显著影响轧制极薄带的微观变形特性。建立了轧制单层晶（少晶）铜极薄带的晶体塑性有限元模型，该模型嵌入晶粒取向和晶粒滑移参数，能准确分析晶内晶间的微观变形行为，其模拟得到的轧制力与实验结果吻合较好。单层晶铜极薄带的微观轧制变形行为表现为明显的局部化，无论是在相邻晶粒晶界附近还是在晶粒内部区域，同时其微观变形行为对轧制工艺具有很强的敏感性，相同条件下异步轧制可激活更多的滑移系参与滑移运动，在变形晶粒内形成多条细窄的滑移带。异步轧制在极薄带厚度方向上产生额外剪切变形，在晶粒四周区域和晶粒中心产生方向相反的剧烈剪切变形，变形后晶粒取向分散度增大、晶粒转动方向增多和转动角度增大，可能形成亚晶和微观裂纹源，造成进一步轧制减薄和板形控制的困难。参考文献 ，（），（），（），：，（），材料导报，（）：，（），（），（），：，（），（），（），（）陈守东，刘相华，刘立忠，等东北大学学报（自然科学版），（），（），（）陈守东，刘相华，刘立忠，等金属学报，（），（），（）陈守东，卢日环，孙建，等中国有色金属学报，（），（），（）陈守东，卢日环，陈子潘，等材料导报，（），（责任编辑 李承佳）陈守东，通信作者，博士，铜陵学院机械工程学院副教授。年 月本科毕业于铜陵学院机械工程学院，年 月在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室材料加工工程取得博士学位。主要从事轧制制备高性能金属极薄带材和成形控性晶体塑性有限元研究工作，以第一作者的身份 在 、金属学报等 学术期刊发表研究论文 余篇，授权国家发明专利 项。复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟 陈守东等