简介概要

润滑对3104铝合金板变形织构的影响

来源期刊：中国有色金属学报2004年第3期

论文作者：胡卓超刘沿东张德吴静婷左良王福

文章页码：410 - 417

关键词：润滑； 3104铝合金；变形织构；板厚

Key words：lubrication; 3104 aluminum alloy; texture; thickness

摘要：在无润滑（WOL）和润滑（WL）2种轧制条件下，分别对2.3mm厚的热轧3104铝合金板进行不同压下量的冷轧。应用取向分布函数(ODF) 定量计算和分析在不同轧制压下量下润滑对3104铝合金板材沿板厚方向织构演变的影响。结果表明：随着轧制压下量的增加，样品各层的织构组分强度均逐渐增加；无润滑轧制时样品表面层主要织构组分取向密度普遍高于相同压下量下润滑轧制时的取向密度。导致表面层织构组分增强的原因是摩擦引起应变状态改变的结果。

Abstract: The samples of 3104 aluminum alloy sheets were deformed by cold rolling with and without application of lubricant. The effects of the different rolling procedures on the evolution of deformation texture during the different reduction rolling and on the development of texture at different layer were studied by means of X-ray texture analysis (ODF). It is found that the main rolling texture components in different layers were similar including Copper {112}〈111〉, Brass {110}〈112〉, R/S {124}〈211〉 and S {123}〈634〉 with lubrication and without lubrication. The orientation of texture component varies in orientation density with the cold rolled reduction. The samples rolled without lubrication pronounce stronger textures than the samples rolled with lubrication at the sheet surface layer, the reason that the samples rolled without lubrication contains a much larger amount of shear component is caused by friction. The different evolution of these through thickness texture can be explained in terms of different strain states during the deformation process.

中国有色金属学报 2004,(03),410-417 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.03.014

润滑对3104铝合金板变形织构的影响

胡卓超刘沿东张德芬吴静婷左良王福

东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004 ,沈阳110004

摘要：

在无润滑(WOL)和润滑(WL)2种轧制条件下,分别对2.3mm厚的热轧3104铝合金板进行不同压下量的冷轧。应用取向分布函数(ODF)定量计算和分析在不同轧制压下量下润滑对3104铝合金板材沿板厚方向织构演变的影响。结果表明:随着轧制压下量的增加,样品各层的织构组分强度均逐渐增加;无润滑轧制时样品表面层主要织构组分取向密度普遍高于相同压下量下润滑轧制时的取向密度。导致表面层织构组分增强的原因是摩擦引起应变状态改变的结果。

关键词：

润滑;3104铝合金;变形织构;板厚;

中图分类号： TG335

作者简介：胡卓超(1976),男,博士研究生.;

收稿日期：2003-07-02

基金：国家重点基础研究发展规划项目(G1999064908);

Effect of lubrication on evolution of through thickness texture in cold rolled 3104 aluminum alloy sheets

Abstract：

The samples of 3104 aluminum alloy sheets were deformed by cold rolling with and without application of lubricant. The effects of the different rolling procedures on the evolution of deformation texture during the different reduction rolling and on the development of texture at different layer were studied by means of X-ray texture analysis (ODF). It is found that the main rolling texture components in different layers were similar including Copper {112}<111>, Brass {110}<112>, R/S {124}<211> and S {123}<634> with lubrication and without lubrication. The orientation of texture component varies in orientation density with the cold rolled reduction. The samples rolled without lubrication pronounce stronger textures than the samples rolled with lubrication at the sheet surface layer, the reason that the samples rolled without lubrication contains a much larger amount of shear component is caused by friction. The different evolution of these through thickness texture can be explained in terms of different strain states during the deformation process.

Keyword：

lubrication; 3104 aluminum alloy; texture; thickness;

Received： 2003-07-02

具有强度高、耐蚀性好以及深冲与减薄拉深性能良好等优点的3104铝合金是制作饮料罐体的理想材料, 要求其各向异性越小越好 ^[1,2,3] 。金属材料各向异性的产生, 主要是在材料加工制作过程中, 形变引起位错的滑移而导致晶格的旋转, 晶体取向的择优形核和生长所致 ^[4] 。织构的形成使材料产生各向异性, 因此, 这种各向异性可通过织构控制来降低, 从而提高和改善金属材料的冲压成形性 ^[5,6] 。

在通常的轧制过程中, 应变状态与很多因素有关, 如各轧制道次中样品尺寸的变化, 轧辊和样品之间的摩擦等。而这些因素都与距轧板表面的距离有关, 从而在轧制过程中引起不同的应变状态, 因此在样品的不同厚度层产生不同的织构 ^[7] 。

本文作者采用X射线织构定量分析法, 研究了润滑对3104铝合金板材不同厚度层应变状态的影响。揭示了3104铝合金在不同润滑条件下冷轧过程中织构的形成和发展规律, 探讨摩擦对样品表层金属微取向流变行为的影响。

1 实验

采用西南铝加工厂生产的3104铝合金热轧成品板料(板厚2.3 mm), 其化学成分(质量分数, %)为: Mn 1.0, Mg 1.28, Cu 0.22, Fe 0.36, Si 0.19, 其余为Al。将热轧板沿热轧方向分别进行润滑(With lubrication, WL)和不润滑(Without lubrication, WOL)的冷轧, 润滑剂为机油。冷轧压下量分别为70%, 80%, 90%。为研究不同厚度方向织构的变化, 将不同压下量的冷轧板沿厚度方向分3层(表面层、 1/4层、中心层)取样, 并用厚度参数T来表明相对中心的距离(表面层, T=1; 1/4层, T= 0.5; 中心层, T=0)。各层经研磨和浸蚀后制成织构测定样品。

织构测量在D/max-ⅢA型X射线衍射仪上完成。采用Schulz反射法、 CoK_α辐射, 按同心圆方式以5°步进扫测{111}、 {200}和{220}3张不完整极图(最大极角为70°), 由计算机自动采集数据。织构分析采用东北大学织构研究室的软件, 按“两步法” ^[8] 计算。结果以恒φ(φ=45°)的ODF截面图表示。

2 实验结果

2.13104铝合金典型织构

众所周知, 面心立方金属各主要织构组分包括黄铜Brass{110}〈112〉, S{123}〈634〉, 铜Copper{112}〈111〉, 高斯Goss{011}〈001〉, R/S{124}〈211〉, 立方Cube{001}〈100〉, 旋转立方Cube+ND90°{001}〈110〉织构。这些织构组分在Euler空间的特定位置如图1所示。铝合金轧制变形织构主要位于2条取向线上: 其一枝在β取向线上, 主要有Brass{110}〈112〉, S{123}〈634〉和Copper{112}〈111〉织构组分; 另一枝在α取向线上, 主要有Goss{011}〈001〉和Brass{110}〈112〉织构组分。 α取向线与β取向线相交于Brass{110}〈112〉。利用Roe符号系统可知, 在恒φ=45°截面图中, 集中显示了除S织构外的其他全部织构组分, 利用此截面图可清晰看出各主要轧制织构组分的强弱(见图 1)。

图1 在φ=45°截面图中的取向 Fig.1 Orientation found in section φ=45°

2.2 WL与WOL样品的ODF图

图2(a)~2(c)所示为冷轧压下量70%的WL板材的ODF恒φ=45°截面图。可以看出, 各厚度

图2 冷轧压下量为70%的3104铝合金板材的ODF恒φ=45°截面图 Fig.2 Constant φ=45° section of ODFs in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 70% reduction (a), (b), (c)—WL; (d), (e), (f)—WOL

层织构均主要由Copper {112}〈111〉型、 Brass {110}〈112〉型等织构组分组成, 其强度随层深变化而变化。相比较而言, 表面层样品的Copper, Brass, R/S, S织构组分强度较高, 1/4层样品与中心层样品的织构组分强度相差很小。图2(d)~2(f)给出冷轧压下量为70%的WOL板材的ODF恒φ=45°截面图。各层织构变化规律与WL样品一致, 但在样品的表面层Brass和S织构组分的强度级别要略高于WL样品表面层的织构组分的强度。对于1/4层和中心层WOL样品与WL样品织构组分强度差别不大。

当冷轧压下量为80%和90%时(图3, 4), WL轧制和WOL轧制可得到与压下量为70%时同样的规律, 即表面层各织构组分强度级别最高, 中心层次之, 1/4层织构最弱。对比80%压下量下WL和WOL样品的织构强弱可以看出, WOL样品表面层

图3 冷轧压下量为80%的3104铝合金板材的ODF恒φ=45°截面图 Fig.3 Constant φ=45° section of ODFs in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 80% reduction (a), (b), (c)—WL; (d), (e), (f)—WOL

图4 冷轧压下量为90%的3104铝合金板材的ODF恒φ=45°截面图 Fig.4 Constant φ=45° section of ODFs in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 90% reduction (a), (b), (c)—WL; (d), (e), (f)—WOL

各织构组分强度明显高于WL样品表面层织构的强度。而中心层则是WL样品的织构组分稍强于WOL样品的织构组分。 1/4层这种织构组分强弱关系不明显。当压下量为90%时可得到与80%时相同的结论, 只是在样品的表面层织构组分的强度进一步提高(图4)。

2.3WL与WOL样品不同厚度层的织构取向密度

图5给出70%压下量WL与WOL的3104铝合金板材不同厚度层的主要织构组分的取向密度值(ω(g))的变化规律。可见, 对于WOL样品其表面层的各主要织构的取向密度(包括Brass, S, R/S)均大于WL样品表面层的相同织构类型的取向密度。在样品的1/4层, WOL样品与WL样品的各取向密度近似相等。在样品的中心层, WOL样品的各主要取向密度略小于WL样品的取向密度。

图5 冷轧压下量为70%的3104铝合金板材的各层取向密度 Fig.5 Orientation densities (ω(g)) of main texture components in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 70% reduction (a)—Surface layer; (b)—1/4 layer; (c) —Center layer

图6和7给出了80%和90%压下量WOL与WL样品不同厚度层的主要织构组分的取向密度变化规律。基本上可以得到与70%压下量时一致的结果, 只是随着压下量的增加, WOL样品的表面层取向密度值较WL样品提高很大。对于1/4层和中心层, WOL样品各织构组分的取向密度小于WL样

图6 冷轧压下量为80%的3104铝合金板材的各层取向密度 Fig.6 Orientation densities (ω(g)) of main texture components in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 80% reduction (a)—Surface layer; (b)—1/4 layer; (c)—Center layer

品各织构组分的取向密度。

2.4压下量对WL与WOL样品表面层织构的影响

图8所示为随冷轧变形量的增加, 3104铝合金板材表面层主要织构组分的取向密度变化。图8(a)

图7 冷轧压下量为90%的3104铝合金板材的各层取向密度 Fig.7 Orientation densities (ω(g)) of main texture components in cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with 90% reduction (a)—Surface layer; (b)—1/4 layer; (c)—Center layer

为Copper织构组分随压下量变化时的取向密度值的变化。对于WL样品, 随着压下量的增加, 其取向密度略有下降, 由5.2降至4.6。对于WOL样品, Copper织构组分强度提高很大, 由70%时的4.6提高到了90%时的6.8。从图8(b)可见, 随着压下量的增加, WL样品表层Brass织构取向密度变化很小, 而WOL样品表层的Brass织构组分取向密度提高很大, 由70%时的6.8提高到了90%时的9.3, 而对于R/S, S组分的取向密度, 在润滑轧制下随变形量的增加略有增加, 而在无润滑轧制下, 其取向密度在80%时稍有降低, 而在90%时最高, 如图8(c), 8(d)所示。由图8还可以看出, 在无润滑轧制样品的表面层各主要织构组分的取向密度普遍高于同条件下润滑轧制样品的取向密度。

3 分析与讨论

3.1 厚度方向上的应变状态

在轧制变形过程中, 应变状态通常被简化成平面应变, 即应变ε₁₁=-ε₃₃, ε₂₂, ε₁₂, ε₁₃, ε₂₃为0, 其中1, 2, 3分别表示轧向(RD), 横向(TD), 轧面法线方向(ND)。一般, 在变形过程中应变状态并不是一个恒值, 它随着轧板从轧机入口到出口位置的变化而变化, 也就是随着轧板厚度的变化而变化。通常将轧制只考虑为一个二维问题, 即ε₂₂=ε₁₂=ε₂₃=0, 而它的应变状态与理想的平面应变之间的差别在于它有一个非0的剪切应变ε₁₃。 ε₁₃由2部分因素共同决定, ε₁₃=1/2(e₁₃+e₃₁) ^[9] 。 e₁₃和e₃₁在轧辊间的变化如图9, 10所示。在轧制过程中e₃₁的变化由这个道次的厚度压下量、样品总厚度及轧辊尺寸共同决定。它可由下式计算得到:

$e_{31} = \frac{r}{2 \sqrt{r R Τ - (\frac{r Τ}{2})^{2}}} (1)$

式中 T为样品厚度; R为轧辊直径; r为道次压下量。 r被定义为

r=(T₀-T_e)/T₀ (2)

式中 T₀为样品轧前厚度; T_e为样品轧后厚度。

e₃₁从轧前到轧后逐渐变小, 但是从样品分层厚度而言, e₃₁的大小与厚度层T无关。 e₁₃是由于轧辊与板材之间的摩擦所产生, 摩擦力越大, e₁₃值就越高, 这就导致平面应变状态的偏移。它在轧机的入口处有正的最大值, 在中心面为0, 而在轧机的出口处有负的最大值。因为摩擦只影响样品的表面层而不影响样品的中心层, 故e₁₃影响样品的厚度层T的应变状态 ^[10,11] , 且对样品的表面层影响最大。

实验发现, WOL轧制和WL轧制导致了轧板沿板厚方向织构发生了显著的变化(图2~4)。而在2种轧制过程中样品厚度、轧机尺寸等几何条件完全一致, 所以2种轧制下的应变e₃₁完全相同, 故对

图8 不同冷轧变形量的3104铝合金板材表面层主要织构组分的取向密度 Fig.8 Orientation densities (ω(g)) of main texture components in surface layer of cold-rolled 3104 aluminum alloy sheets with different reductions (a)—Copper; (b)—Brass; (c)—S; (d)—R/S

图9 在一个轧制道次中变形的几何尺寸 Fig.9 Geometry of deformation during a rolling pass

图10 轧制过程中各层e31 和e13的变化机制 Fig.10 Schematic representation showing variation of e31 and e13 in a roll gap

织构产生相同的影响。然而在WOL条件下轧制时, 摩擦对样品起到了很大的影响, 所以WOL样品的e₃₁高于WL样品的e₃₁值。结果导致了WOL样品中微取向应变的差异, 并因此使得WOL样品产生厚度方向上与WL样品完全不同的织构变化,并由于摩擦主要作用于样品的表面层, 使得WOL样品表面层的主要织构组分强度明显高于WL样品表面层的织构。

3.2 样品表面层织构的演变规律

由图8可以看出, 尽管不同冷轧变形量的3104铝合金板材的主要织构类型相同, 但各织构组分的强度级别有所差异。这种差异主要是由于冷轧压下量和摩擦阻力的不同使得金属流动及晶粒取向发生变化所致。在轧制过程中, 摩擦力和轧制压力的共同作用导致轧制板材沿厚度方向产生不同的剪切应变。

随着冷轧压下量的增加, WL板材表面层各织构组分的取向密度变化呈不同的变化趋势, 其中Brass, S, R/S织构强度逐渐增加, 而Copper织构逐渐减弱。这主要是由于WL板材表面层受摩擦力等因素的影响较小, 剪切应变可忽略不计, 此时材料的塑性应变接近于对称变形, 随着变形程度的增加, 晶粒取向沿β线和α线流动, 其中亚稳态的Goss织构将随着变形的增加逐渐向Brass织构转变, 从而导致Brass织构组分的取向密度不断增加。 Hirsch等预测发现 ^[12] , 在轧制变形均匀的情况下, 轧制过程前样品中的Cube立方织构将沿取向线向稳态的Copper织构转变, 大变形程度下晶粒通过S取向位置后, 旋转速度减慢, 大多数晶粒将聚集与S取向周围, 使变形后S取向密度较大 ^[13,14] 。

对于WOL轧板表面层各织构取向密度而言, 由于轧制摩擦系数较大, 轧辊与轧板之间产生大的摩擦, 轧板不均匀变形严重, 而轧板表面承受较大的摩擦作用, 从而在样品的表面产生一定的剪切织构, 且随着变形量的增加, 剪切织构增强 ^[15] 。但是剪切织构不稳定, 在轧制变形时, 晶粒绕横向TD方向旋转。随着变形量的增加, 剪切织构和一定亚稳态的织构将迅速向稳定的Copper织构演变。同时由于在剪切变形的作用下, 将激活更多的滑移系参加滑移和交滑移, 使得S取向周围的晶粒继续沿着β取向线运动, 从而到达Copper取向。因此WOL样品表面层Copper织构随变形量的增加而发生明显强化, 同时也导致3104铝合金表面层其他主要织构Brass, S, R/S的强度提高。

4 结论

研究了在3104铝合金板轧制过程中, 润滑对样品不同层织构演变的影响。在无润滑轧制与润滑轧制下, 样品的各主要织构组分未发生变化, 仍为典型的铜式织构类型, 均主要由Copper, Brass, R/S, S组分组成。随压下量的增加, 润滑轧制样品表面层的R/S, S组分, 1/4层和中心层的Brass, R/S, S组分增强, 而表面层的Copper组分减弱。而对于无润滑轧制样品而言, 各层织构均呈增加趋势, 在样品的表面层, 样品各织构组分取向密度普遍高于相同压下量下润滑轧制样品的取向密度。导致样品表面层织构组分增强的原因可归结为摩擦的作用而导致应变状态的改变。