形变量对高纯铜微观组织和织构的影响

形变量对高纯铜微观组织和织构的影响

虽然多晶材料中的颗粒轨迹通常是不规则的，但通过塑料变形并达到一定的变形水平，颗粒中的晶体轨迹会旋转，其特定的晶面和晶向逐渐形成一定的方向，使结晶轨迹有序，并与严格的位向比进行形成结构。材料的织构是影响其性能的重要因素,织构的形成受材料成分、形变条件(形变程度、形变温度、形变速度等)、材料内部特征(如第二相种类、大小、分布)及热处理条件的控制。为了大幅度提高金属材料的性能,材料形变过程中晶粒取向的演变研究一直受到广泛重视。金属在塑性变形过程中微观组织的演变主要包括晶粒尺寸、分布的变化,晶粒的宏观、微观分裂,晶界及亚晶界特征的变化,晶粒取向的宏观统计即宏观织构的形成等。已有的研究表明,多晶铝、铜的形变微观组织与晶粒的晶体学取向存在明显的依赖关系,每一类型组织晶粒的晶体学取向在标准极射三角形中位于特定的区域。本实验对高纯铜板进行30%、50%、70%、90%形变量的冷轧加工,采用EBSD技术对轧制试样进行微观组织及织构表征,揭示了高纯铜在不同形变量下微观组织及织构的演变规律。1试样制备及分组所用材料为退火态、纯度为99.99%的高纯铜,初始尺寸为5mm×15mm×180mm。将高纯铜板冷轧30%、50%、70%、90%4个形变量。为保证平面应变条件,每道次轧制几何参数L/d≈2。选取RD-ND面进行微观组织结构及取向分析研究。试样经400#、800#、1200#、2000#、2500#、4000#水砂纸依次进行水磨,最后经电解抛光获得适合EBSD的试样。电解液成分为:825体积磷酸,175体积蒸馏水;电压为2V,常温。采用配备有EBSD系统的Nova400Nano-SEM型场发射(FEG)扫描电子显微镜进行测试,工作电压20kV,工作距离约15mm,使用HKLChannel5软件对实验数据进行处理和分析。2结果与讨论2.1形变量对晶粒尺寸及形态的影响由图1(a)可以看出,初始状态晶粒杂乱排列,形状接近等轴状,不同晶粒因取向差异而显示不同衬度。当冷轧形变量增加至30%(如图1(b)所示)时,晶粒明显被拉长,产生了典型的轧制形变带,说明晶粒内部已经产生取向变化,部分晶粒开始发生分裂。当冷轧形变量为50%(如图1(c)所示)时,晶粒沿RD方向进一步拉长,形变带与RD方向夹角减小,接近平行,同一晶粒内部的不同区域衬度发生显著差别,晶粒分裂更明显。当冷轧形变量进一步增加到70%(如图1(d)所示)时,晶粒沿ND方向被严重压缩,呈明显的长条状,形变带几乎平行于RD方向,晶粒内部取向变化进一步加剧,晶界已变得非常模糊。当冷轧形变量为90%(如图1(e)所示)时,晶粒变得更加细长,产生层片状结构。经退火处理后的材料因位错等缺陷较少,很容易运用光学显微镜得到表达晶粒信息较好的金相照片,而经形变后的材料因晶界处包含大量的位错等缺陷,往往不容易获得表达晶粒信息较好的金相照片。通过EBSD技术获得高纯铜冷轧板晶粒取向信息,再经晶界重构可以得到其晶粒形状、平均尺寸及分布等特征,为分析形变高纯铜微观组织结构中宏观晶粒信息提供了一种新的有效手段。表1为经EBSD晶界重构计算的不同形变量高纯铜的平均晶粒尺寸分布和晶粒高宽比。图2为不同形变量高纯铜的晶界重构图。图3为不同形变量高纯铜的晶粒尺寸分布及高宽比。由表1、图2、图3可以看出,随着形变量的增大,高纯铜的晶粒平均尺寸不断减小,高宽比逐渐增大,这是由于在轧制过程中晶粒内部发生多滑移,产生微观分裂和转动,各晶粒逐渐被拉长形成沿轧制方向的纤维组织。并且随着形变量的增大,晶粒尺寸标准差以及标准差与相应晶粒尺寸的比值都降低,说明晶粒尺寸在逐渐减小的同时变得均匀。2.2不同形变量对试验材料力学性能的影响在EBSD的织构组分取向重构图中,不同的颜色表示不同类型的织构。在原始试样(退火态)中,其它(Others)取向(白色区域)含量较高,其它(Others)织构所占比例很低。随着形变的进行,其它取向区域迅速减少,冷轧织构(Brass、S和Copper)的比例迅速提高。当形变量为50%时,微观组织已大部分为Brass、S和Copper组成的冷轧织构取向区域。通过EBSD织构重构对不同织构组分含量进行定量分析,对相同形变量下不同区域的同种织构组分进行加权运算,得到不同形变量下不同织构组分的含量及变化曲线,如图5所示。由图5可以看出,随着形变量的增加,冷轧织构组分(Brass、S和Copper)取向的含量都呈增大的趋势,其它(Other)取向的含量迅速减小。在不同的冷轧织构组分中,S取向的含量最高,Brass织构含量较Copper略高。在冷轧织构中S取向的含量一直占主导地位,形变量达到90%后3种冷轧织构组分(Brass、S和Copper)的含量总和已达到85%以上,表明在大形变量下已经形成了显著的冷轧形变织构。由图6可以看出,轧制前试样较多晶粒取向集中于{101}方向附近,也有较弱的{001}织构,随轧制过程的进行;当形变量为30%时取向更加集中于{101}方向及极射三角形中部区域;当形变量为70%时,晶粒向{101}方向集中的趋势更加明显,已观察不到形变量为50%时极射三角形中部区域的集中取向;形变量增加至90%后,极射三角形中部取向又逐渐增加。在不同形变量下{111}方向始终无取向集中。由以上分析可以认为,高纯铜的形变过程中主要存在靠近{101}方向和极射三角形中部的两类形变织构。图7为不同形变量下的α取向线变化。由图7可以看出,原始试样无明显α取向线上集中取向,当形变量为30%时,靠近{110}〈112〉方向的取向明显增加,随着形变量的增加,接近该取向的织构逐渐增加,但当形变量小于70%时增加并不明显,形变量增加至90%后,{110}〈112〉取向明显增加。图8为不同形变量下的β取向线及对应角度。由图8可以看出,原始试样无明显β取向线上集中取向,随着形变量的增加,β取向逐渐增加,当形变量小于70%时增加不明显,形变量为90%后β取向线密度明显增加。此外,随着形变量的增加,ψ1逐渐减小,Φ逐渐增加。由不同形变量下α取向线及β取向线上的织构演变可以看出,随着形变量的增加,均出现明显的集中织构,值得注意的是,当形变量小于70%时,织构增量不明显,当形变量为90%时,α取向线及β取向线上的织构大幅增加,说明后续轧制形变对多晶高纯铜织构的影响更明显。3形变量对织构的影响(1)随着轧制过程的进行,晶粒逐渐细化拉长,尺寸分布更加均匀;冷轧织构组分(Brass、S、Copper)不断增加,其它织构组分不断减小。(2)随着形变量的增加,冷轧织构(Brass、S、Copper)含量逐渐增加,其中S织构最多,Brass织构次之,Copper织构最少,形变量至90%后,冷轧织构含量高达85%以上。(3)随着形变量的