（材料加工工程专业论文）qsn501带材冷轧过程中微裂纹形成原因分析.pdf

ab s t r a c t i n o r d e r t o k n o w t h e c a u s e o f c r a c k s i n c o l d r o l l e d q s n 6 . 5 - 0 . 1 c o p p e r a l l o y s t r i p , a l o t o f e x p e r i m e n t s a n d a n a l y s i s w e r e d o n e . t h e m i c r o s t r u c t u r e c h a n g e s o f q s n 6 . 5 - 0 . 1 w e r e i n v e s t i g a t e d b y m e a n s o f m e t a l l u r g i c a l m i c r o s c o p e . t h e m o r p h o l o g y o f c r a c k s a n d s u r f a c e d e f e c t s w e r e e x a m i n e d b y m e a n s o f s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e. m a c r o s c o p i c r e s i d u a l s t r e s s p r o d u c e d d u r i n g m a n u f a c t u r i n g i n t h e q s n 6 . 5 -0 . 1 c o p p e r a l l o y s t r i p w e r e v a l u e d b y x r a y d i f f r a c t i o n a n d h o l e d r i l l i n g . a t t h e s a m e t i m e , i n o r d e r t o f i n d o u t i f t h e r e w a s r e s i d u a l s t r e s s i n c o l d r o l l e d s t r i p , t h e w h o l e c o l d r o l l i n g p r o c e s s w a s s i m u l a t e d u s i n g f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) . f r o m a b o v e , i t c a n b e s e e n t h a t t h e c r a c k s i n t h e q s n 6 . 5 - - 0 . 1 c o l d r o l l i n g s t r i p w e r e r e s u l t e d f r o m t h e d e r i v a t i o n o f m e t a l l u r g i c a l d e f e c t s， s u c h a s s n 几 ， s , m i c r o - l o o s e s , t h e i n v e r s e s e g r e g a t i o n w h i c h w a s u n a b l e t o c l e a r u p w h e n m i l l i n g , a n d t h e a c c u m u l a t i o n o f a l l k i n d s o f r e s i d u a l s t r e s s e s. w h e n t h e a c c u m u l a t i o n o f t h e r e s i d u a l s t r e s s g e t s t o s o m e d e g r e e , m a t e r i a l s b r e a k i n g s t r e n g t h , t h e c r a c k s w i l l b e g e n e r a t e d . h o w e v e r , t h e r e a r e r e l a t i v e l y f e w r e p o r t s o n t h e r e s i d u a l s t r e s s g e n e r a t e d b y t h e c o l d r o l l i n g . e s p e c i a l l y , l i t t l e i s k n o w n a b o u t t h e r e s i d u a l s t r e s s i n t h e c o l d r o l l e d c o p p e r a l l o y s h e e t . t h e r e s i d u a l s t r e s s e s o f e v e r y p r o c e s s i n g w e r e m e a s u r e d b y m e a n s o f t w o m e t h o d s : h o l e d r i l l i n g m e t h o d a n d x r a y d i f f r a c t i o n m e t h o d . b o t h m e t h o d s w e r e a d o p t e d t o a d j u s t e a c h o t h e r . o w i n g t o m a n y f a c t o r s , t h e h o l e d r i l l i n g m e t h o d f o r t h i s s h e e t i s b e t t e r t h a n t h e o t h e r . f u r t h e r m o r e , t h r o u g h c o m p u t e r s i m u l a t i o n , i t c a n b e s e e n t h a t t h e r e i s r e s i d u a l s t r e s s i n e v e r y p r o c e s s o f q s n 6 . 5 -0 . 1 c o p p e r a l l o y . c e r t a i n l y , a t t h e s a m e t h e c o - e f f i c i e n t o f f r i c t i o n , t h e v a l u e o f s t r e s s i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e r a t i o d e f o r m a t i o n . c e r t a i n l y , i t i s t h e s a m e w h e n t h e r o l l i n g p a s s a g e i s t h e s a m e . s e v e r a l m e a s u r e s t o a v o i d t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s k i n d o f c r a c k ii w e r e p u t f o r w a r d a s : c o n t r o l l i n g t h e c a s t i n g t e c h n o l o g y ; i m p r o v i n g h o m o g e n i z a t i o n a n n e a l i n g p r o c e d u r e ( 6 8 0 c / 7 h r ) a n d m i l l i n g q u a l i t y ( u s i n g t h e s e c o n d m i l l i n g w h e n n e c e s s a r y ) ;r e d u c i n g c a s t i n g r e s i d u a l s t r e s s a n d c o m p l e t e l y h o m o g e n i z i n g t h e c o m p o s i t i o n s o f c a s t i n g i n g o t ; w o r k i n g o u t a m o r e r e a s o n a b l e r o l l i n g t e c h n o l o g y , s u c h a s i n t e r m e d i a t e a n n e a l i n g i n t i m e . e s p e c i a l l y , i t i s i m p o r t a n t t o p a y a t t e n t i o n t o t h e l u b r i c a t i o n d u r i n g c o l d r o l l i n g . k e y w o r d s : q s n 6 . 5 - - 0 . 1 c o l d r o l l e d s t r i p ; c o l d r o l l i n g ; c r a c k ; r e s i d u a l s t r e s s ; m e t a l l u r g i c a l d e f e c t ; c o m p u t e r s i m u l a t i o n ; f i n i t e e l e m e n t m e t h o d m _中 m t * m t * t t 体积收缩很小 ( 线收缩率为 1 . 4 5 - 1 . 5 % )。采 用压铸法可获得致密的锡青铜铸件。 ( 2 )合金凝固时，铸锭中易出现锡含量外高内低的化学成分不均匀性一 反偏析。锡青铜的反偏析程度与合金的铸造方法和工艺条件有关，我国广 大工人、技术人员对锡磷青铜创造了带展动的水平连铸工艺， 可减轻反偏 析，使成品率提高，产量大为增加，多快好省地发展了这类材料的生产。 ( 3 ) 液态合金中， 锡易与氧作用生成硬脆的夹杂物 s n 0 2 ， 这种夹杂物残 留在合金中，会降低合金的力学性能，故锡青铜在熔铸时必须充分的脱 氧。 ( 4 )锡青铜的枝晶偏析很严重，在压力加工之前宜进行均匀化，但锡在 铜中的扩散速度极慢，只有经多次压力加工和退火之后，才能比 较彻底地 消除枝晶偏析。含锡较高而高温又呈 ( 。 十 p )状态的两相合金，因p 相 有足够的高温塑性，可进行热态压力加工。 ( 5 )一般认为锡青铜难于热加工，但是，实践证明:只要浇注出无气 孔、缩孔和无易熔杂质的优质铸锭，而且加工工艺控制得好，含锡量在 3 0 % 以下的锡青铜均可热加工。 ( 6 )锡青铜对过热和气体的敏感性很小，能很好地焊接和钎焊，冲击时 不产生火花，无磁性，耐寒，并有极高的耐磨性。 中南大学硕士学位论文 图1 - 2 是c u - s n - p 系铜角的 室 温截面 相图。 磷在锡青 铜的。 固 熔体的 溶解度很小，并随锡量增加和温度降低而减小。磷与铜形成化合物 c u 3 p ( 含磷 1 4 . 1 % )。此化合物跟锡青铜形成三元共晶，成分为 c u 8 0 . 7 % - s n 1 4 . 8 % . p 4 . 5 % ，共晶温度为6 2 8 c l 0 1 。含磷量大于0 . 5 % 的锡磷青铜，凝 固时约在6 3 7 发生四相平衡的共晶- 一 包晶反应:l + a - 0 + c u 3 p 。具有 这种反应的锡磷青铜的热加工温度不宜超过 6 3 7 c ，否则会产生热脆。因 此，加工锡磷青铜中的磷含量不应大于0 . 5 % . 图1 - 2 c u - s n - p 系铜角的室温截面相图l 7 1 工业用锡磷青铜显微组织随着锡与磷的含量而变，当锡青铜的磷超过 0 . 3 % 时，合金组织中就会出现铜与铜的磷化物所组成的共晶体.磷化物与 ( a + 8 )共析体的区别在于不受 5 0 % 硝酸溶液的侵蚀:与氧化亚铜的区 别 是 在 偏 振 光 下 不 变色 e , 9 1 磷对锡青铜机械性能有影响，可提高锡青铜的强度、硬度、弹性极 限、弹性模量和疲劳强度。压力加工合金中含磷量一般不超过 0 . 5 % ，在 这样的比例时，锡青铜有最好的力学性能和工艺性能，有高的弹性极限， 弹性模数和疲劳强度。 磷化物有高的硬度、耐磨性和良 好的研磨性，与8 相在一起，创造了 轴承合金所必须的条件， 所以在铸造耐磨锡青铜中， 磷含量可高达1 . 2 % . 一 一 lp m ) * g 生塾丝主一一一一一 锡磷青铜冷加工前的晶 粒大小和加工后的 低温退火对力学性能有重大 影响。细晶粒加工材具有比粗晶粒加工材更高的强度、硬度和疲劳强度， 但塑性略低，在 2 0 0 - 2 6 0 经 1 - 2小时的低温退火，可进一步提高锡磷青 铜加工制品的强度、塑性、弹性极限和弹性模量.实践证明，低温退火还 能增加锡磷青铜的弹性稳定性。 1 . 3锡礴青铜q s n 6 . 5 - 0 . 1 概述 1 . 3 . 1化学成分 表 1 - 2 q s n 6 . 5 - 0 . 1 的化学成分 合金 代号 化学成分( w t % ) 主要成分杂质( 不大于) 锡磷 一铜锑 硅铝铅铁 锡l 总 和 q s n 6 . 5 - 0 . 1 6 . 0 - 7 . 00 . 1-0 . 2 5 余量0 . 0 0 20 . 0 0 2 0 . 0 20 . 0 20 . 0 20 . 0 0 20 . 1 1 . 3 . 2特性和用造 产品种类:板、带、箔、棒、线。 主要特征:具有高的弹性、耐磨性和抗磁性;在热态和冷态均可压力 加工;焊接和钎焊性良 好;切削性较好;在大气和淡水中抗蚀性很好;铸 造性良好。 用途举例:用于制造导电性能好的弹簧接触片或其他弹簧;精密仪器 中的耐磨零件和抗磁元件，例如齿轮、电刷盒、振动片、接触器等;还可 用精密铸造法制造仪器内小型特殊零件:也可做 q s i 3 - 1弹性元件的代用 品。 1 . 3 . 3 物 理以 及力学 性能 表1 - 3 物理性能 合金代号 液 相 点 ( ) 比重 y b / c m 3 线膨胀系 数 a : 。 ( x 1 0 6 ) ( 1 / ) 导 热 系 数 入 : 。 ( 卡/ 厘 米秒 ) 2 0 时 的 电阻 系 数 p (a m m / m ) 流 动 性 ( m m ) 和 h p b 6 3 - 3相比的 切削加工 性% q s n 6 . 5 - 0 . 19 9 6 8 . 8 1 1 7 . 2 1 0 . 1 4 0 . 1 2 8 1 . 4 51 2 0 4 a % t * a t * e 1 这一一一一一一一一一 表1 - 4 q s n 6 . 5 - 0 . 1 的低温线膨胀系数 温度 ( )16 .9 6 . 9 3 . 12 3 . 1 4 3 . 16 3 . 18 3 . 1 - 1 0 3- 1 2 3 一 1 4 31 6 3一1 8 3 线 膨 胀 系 数a (x 1 0 0 ) ( 1 / ) ; : ; : ; 16 .8 ; 5 91 5 .0 515 .5 。14 . 53 13 . 8812 . 96; “; 。 。 表1 - 5 q s n 6 . 5 - 0 . 1 的室温力学性能 状态弹性棋f ( e ) ( n p a ) 抗拉强度 ( 。) ( n p a ) 比例极 限 ( a， ) ( n p a ) 屈服强度 ( a ， ) ( n p a ) 伸 常 率 ( 6) % 布 氏 硬 度 ( h b ) ( n p a ) 瘫擦系数 有 润 滑刑 无润 滑 刑 软态 3 5 0 - 4 5 02 0 0 - 2 5 06 0 - 7 0 0 - 9 0 00 . 0 10 . 1 2 硬态 1 2 4 0 0 0 7 0 0 - 8 0 0 一 4 5 0 5 9 0 - 6 5 07 . 5 - 1 . 2 1 6 0 0 - 2 0 0 0 0 . 0 10 . 1 2 表 1 - 6 部标规定的q s n 6 . 5 - 0 . 1 产品的力学性能 产品 名称 制造 方法 状态厚度或直 径( m m ) 抗拉强度 ( a) ( m p a ) 伸常率 ( 石 ) % 不 小于 硬度技术 条件 锡青 铜板冷轧 软 3 0 03 8 y b 4 61- 7 1 5 0 0 3硬 6 0 01特硬 软3 0 01 3 8 5 0 05硬 6 0 01特硬 锡青 锅板 冷轧软 3 0 03 8 y b 4 61- 7 1 5 5 03硬 6 0 02 特硬 软 3 0 03 8 5 5 08硬 6 8 02 特硬 锡青 铜 板、 带 冷轧软 3 0 03 5 y b 7 0 2 - 7 0 1 / 3 硬4 0 0 - 4 5 0 1 0 h r b = 6 5 - 8 5 4 3 0 - 5 2 09h r b = 7 0 - 9 01 / 2硬 硬5 2 0 5 压力 表管 软 3 3 04 0 y b7 1 2 - 7 0 5 0 0硬 锡青 铜棒 挤制 4 0 - 1 2 0 3 5 01 5 5 h b 妻7 0 y b 5 53 - 7 1 拉制 5 - 4 04 2 01 5h b = 1 3 0 - 2 0 0 锡青 铜线 硬 0 . 1 - 2 . 5 9 0 0 y b 4 5 4 - 6 4 2 . 5 - 4 . 08 5 01 ! 4 . 0 - 6 . 48 3 0 1 中 南大学硕士学位论文 1 . 4 锡礴青铜带材生产的发展及现状 在锡磷青铜带材中最有代表性的合金为 q s n 6 . 5 - 0 . 1 ，其生产种类以 板带材为主，产品状态分为软、半硬、硬、特硬四种1 0 1 ，还没有形成象 工业发达国家中的锡磷青铜系列产品和各种不同的状态。我国目前的 q s n 6 . 5 - 0 . 1 带材生产方法是冷轧法。 q s n 6 . 5 - 0 . 1在某些性能方面的优越性就决定了其应用广泛和用量的 日 益增加du。因此，为满足用量，国内外一些工厂在熔炼、铸造及热轧 工艺上采取了一系列的改进措施。 前苏联某工厂采用电渣重熔法生产的铸 锭密度高，无气孔， 并且在 6 5 0 均匀化退火后完全可以消除化学成分和 组织上的微观不均匀性， 其高温力学性能比传统工艺生产的铸锭高得多， 这种铸锭可以采用热轧开坯而不至于产生裂边。另外，前苏联又研制出了 采用电磁结晶器的半连续铸造法，它能使铸锭化学成分明显地消除反偏 析、偏析瘤、表面冷隔和拉裂等缺陷， 比一般铸造法铸造的铸锭具有更好 的塑性、热轧温度范围，其塑性提高，热轧无裂纹和裂边(1 2 .日本所报 道的磷青铜热轧法，其特点是将含 s o% 以下的磷青铜铸锭上下面及两个 侧面的偏析层铣削后用带有小于2 度立辊的热轧机进行热轧。这种方法热 轧后得到的产品表面没有裂纹，两侧仅有 l o m m左右的裂边，通过修边后 完全成为产品。 q s n 6 .5 - 0 . 1的生产工艺从半连续铸造到水平连铸不断地改进和优化 1 3 。带材生产也从半连续生产扁锭，冷轧开坯发展到热轧开坯，最近十 几年国内引进了水平连铸机列生产宽厚比不等的连铸带坯，经均匀化后冷 轧成带材。尽管连铸带坯生产成本要高于铸锭生产成本， 但其突出效果在 于其后续工序的加工过程中，既可降低能耗，降低生产成本，又能显著地 提高成品率和生产率，而且产品的表面精度好，性能均一以整个生产工艺 来看，综合效益好，这也是该工艺被广泛采用的关键因素所在。在锡磷青 铜带材加工方面，目 前我国正待解决的关键性问题主要有以下几点: ( 1 )价格昂贵，主要原因是目前锡磷青铜中的锡元素短缺; ( 2 )生产工艺陈旧， 国外先进的生产工艺不仅产品质量好，而且成品率 还很高，早已取代了国内外锡磷青铜热轧法及小锭多次冷轧法的生产工 艺; ( 3 )性能方面多不及国外同类产品，表面质量也有待提高。如用国产锡 磷青铜带制造的自动电话交换台继电器的寿命仅 1 0 0 万次，而采用日本进 中南大学硕士学位论文 口的同类合金材料时，寿命可达4 0 0 万次; ( 4 )带材生产中工艺技术装备及配套设备落后，轧机精度低，难以轧出 高精度产品，致使薄带精度差，不能满足需要，再加上退火技术落后就更 不易提高产品性能，从而保证性能均一和产品表面光洁，如同样是厚度公 差，我国一般为+ 0 . l m m而国外能达到+ 0 . 0 0 1 m m 。另外带材后部工序质量 保证能力差，如剪切、包装质量均需改进。 1 . 5 拐礴青铜铸健质f控制与改善 众所周知， 铸造是金属材料生产的第一步， 是决定质量好坏的第一道工 序 ， 。铸态下的缺陷如不能消除，就会给以后的生产过程中以至最后的 出厂产品带来各种质量问题.生产实践证明，加工后的成品或半成品中的 一些难以识别的缺陷，不少也是铸造缺陷经过加工及热处理后所形成的。 目前，多数厂家生产锡磷青铜铸锭是采用水平连铸技术，该技术是在 2 0世纪 6 0年代的西欧，前苏联及日 本等工业国家发展起来的。而在我国 该技术也是在近二三十年发展起来的。水平连铸技术与半连续铸造相比， 其主要的不同点是 1 5 1 :封闭铸造，结晶器直接和保温炉相连;石墨具有 耐高温、和多数铜合金熔体不起反应、良 好的导热性、润滑性和易机加工 性等优点;水平连铸在一般情况下都采用石墨内 衬结晶器;结晶器水平安 置，铸锭以水平方向连铸成型。 锡磷青铜水平连铸中碰到的主要问题是产生缩孔、缩松、气孔、夹 杂、表面间断性开裂、重皮及偏析等缺陷 1 5 1 ，因而严重影响生产和产品 质量，以至限制了水平连铸的牌号、规格的扩大。铸锭中缩孔和缩松的产 生是由于金属在凝固时发生体积收缩时所引起的。缩孔是在顺序结晶条件 下最后收缩凝固处得不到金属液的补充时产生的，一般位于铸锭中心部 位，多为大小不一，形状不规则的孔洞或缝隙，表面粗糙，但如内部充有 气体时表面则较光滑.缩孔周围可能有缩松、偏析或夹杂的聚集。有此缺 陷的锭坯在随后的加热及变形中，缩孔往往难以焊合而进一步扩大成分 层、裂缝。而缩松则可以理解为分散的缩孔，他易在结晶温度间隔宽、枝 晶偏析严重，凝固收缩难以集中的合金以及缩孔附近出现，多成片地出现 于铸锭中心，也可能分布于整个铸锭。缩松造成金属组织的不致密，因而 大大降低合金的机械性能和抗蚀性能。 缩孔和缩松区域的大小与合金的凝固收缩系数、金属液体的流动性， 结晶温度范围的宽窄、铸锭的端面尺寸、浇注温度及凝固条件等因素有 中南大学硕士学位论文 关。合金的收缩系数愈大，铸锭断面尺寸愈大， 缩孔将愈严重。合金的结 晶温度范围愈窄，流动性越好，则缩孔越集中。相反，如合金的结晶温度 范围越宽，凝固时的结晶过渡带则愈易形成缩松。 偏析是指铸锭在宏观及显微尺度内不同区域化学成分不均匀的现象。 显微尺度内的偏析即一个晶粒内部或晶间的偏析称为晶内偏析 u , 1 8 1 ，而 宏观尺度内的偏析分比重偏析和区域偏析两种。各种偏析产生的机制不 一，这里从略。偏析的存在使合金的性能产生不均，即加工性能降低，耐 蚀性也会变差。严重的偏析可时铸锭报废。晶内偏析可以通过改善铸造工 艺，作变质处理予以减轻，也可以对铸锭作扩散退火热处理予以消除。而 区域偏析和比重偏析都不能通过均匀化退火予以消除，而只有通过铸造工 艺的改进。锡磷青铜在水平连铸时采用周期停拉或结晶器震动方式以 及停拉反推方式将铸锭拉出。 1 . 6残余应力 1 . 6 . 1 残余应力及其分类 残余应力是一种弹性应力，它与材料中局部区域存在的残余弹性应变 相联系。所以，残余应力总是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均匀弹 塑性变形的结果。它是当物体没有外力作用而在物体内部依然存在并保持 平衡的应力 1 9 , 2 0 , 2 1 1 根据残余应力存在的区域大小，可分为如下三类: ( 1 )第一类应力:较大区域存在的残余应力 ( 很多个晶粒范围内); ( 2 )第二类应力:一个晶粒或晶粒内区域存在的平均残余应力; ( 3 )第三类应力:几个原子间距区域内存在的残余应力。 广义地说，材料中的第一、第二和第三类残余应力的产生是材料的弹 性各向异性和塑性各向异性的反映。 1 . 6 . 2残余应力产生的原因 宏观残余应力的产生原因， 大致有如下三种情况2 2 1 ( 1 )不均匀塑性变形产生的残余应力; a冷、热变形时沿截面塑性变形不均匀; b 加热、冷却时，体积内温度分布不均匀; c加热、冷却时，加工件截面内相变过程不均匀。 中南大学硕士学位论文 ( z )热影响产生的残余应力:这种残余应力是由于构件在热加工中的 不均匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。 a .热的作用产生的不均匀塑性变形 在加热、冷却过程中构件各部分的热传导状态不同，构件的温度场不 均匀，致使构件内各部分的弹性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而构 件内部所产生的塑性变形也是不均匀的。 b .相变或沉淀析出引起的体积变化 冷却时，构件各部分的瞬时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而 各部分的瞬时相变程度不均匀，即有的部位相变已完全结束，而有的部位 相变尚未开始，从而引起构件各部分的体积变化不均匀。 ( 3 )化学变化产生的残余应力 这种残余应力是由于从构件表面向内部扩展的化学或物理化学的变化 而产生的。金属材料的化学热处理、电镀、喷涂等等加工均属此例。 1 . 6 . 3残余应力的 侧试方法 残余应力的测试方法很多， 按其对于被测试件是否具有破坏性而言， 可 分为有损测试法与无损侧试法等两大类12 3 ,2 4 1 .钻孔法、取条法、切槽法、 剥层法、环芯法等都属于有损测试法，目前用得最多的是钻孔法，环芯法 也有一定的 应用 对象; x - r a y测定 残余应力法、中 子衍射法、 超声 波声弹 法、磁致伸缩、巴克来森效应、激光拉曼光谱法是无损测试法. 在选择测试方法时，一定要针对被测对象的具体情况，如材料的种 类、测t精度要求等。对各种常用的残余应力测试方法的界定及使用领 域，或者说对主要的优缺点要有所了解，要特别注惫各种方法所测定的是 具有怎样内涵的残余应力值。 钻孔法和环芯法侧定的是小孔深度或槽深距离内的平均残余应力，而 且是一种加权平均，因为浅表层的应力释放对应变花感受到的释放应变的 影响更大2 6 1 。在无损测试方法中， x射线衍射法测定的是 x射线的有效 透入深度内的加权平均应力值，对常用金属材料 x射线的有效透入深度 仅几个微米到二三十个徽米。有人2 6 1 对钻孔法和 x射线法进行了比较， 从结果看，两种方法测得的残余应力分布形式是一致的，但用 x射线衍 射法测得的残余应力值比钻孔法测得的小6 0 -9 0 m p a . 由于各种残余应力测试方法所依据的原理不同，对材料本身与外界条 件等影响因素的敏感程度不同，因此适用范围是不一样的。尤其是前面提 中 南大学硕士学位论文 到的各种方法所得的测试值对沿深度方向分布的残余应力有着不同深度和 不同方式的平均化作用，所以用测试值进行简单的对比实际上缺乏统一的 基准。从目 前有关材料中残余应力测试技术的发展状况来看，首先需要的 是对各种方法本身进行深入研究，摸清其规律性和各种影响因素，然后在 广泛深入交流的基础上开展有针对性的对比测试，获得有关各种方法的测 试结果的可比性的认识与经验。 1 . 7本研究的目 的、愈义及技术路线 长期以来， 人们为寻求一种最佳工艺生产方法控制q s n 6 . 5 - 0 . 1 带材制 品的力学性能，以满足用户需要而作出了大量的前期工作。近几年， 洛铜 集团公司 q s n 6 . 5 - 0 . 1带坯生产在冷轧时常常出现微裂纹的问题，使成品 率很低。这个问题一直困扰着人们，为解决此问题，洛铜公司特委托中南 大学研究裂纹形成原因，并提出解决措施。因此，我们认为有必要对 q s n 6 . 5 - 0 . 1铸造、均匀化、冷轧等工序的工艺及工艺参数对裂纹产生的 原因做比较全面的研究，结合工业生产实际，针对冷轧过程中产生的现象 进行有限元分析，为工业生产制定合理的铸造和冷加工制度提供基础数 据、理论依据和相应的技改措施，以提高生产效益，拓宽国内外市场。 本实验根据生产该带材的实际工艺，跟踪每一个工序，找出引起这种 裂纹的主要原因。首先，通过扫描电镜观察了裂纹形貌及裂纹处成分:再 通过正交实验，得出影响冷轧工艺的最重要参数;同时，模拟了 熔铸时产 生的疏松和缩孔;最后，利用计算机 d e f o r m软件对冷轧过程进行模拟， 从而进一步证实引起这种裂纹的原因。在上述大量实验并进行一系列分析 测试 ( 包括金相显微组织、扫描电镜、x - r a y衍射分析、计算机模拟等) 的基础上，通过综合分析，弄清了 q s n 6 . 5 - 0 . 1冷轧微裂纹形成原因，影 响因素及消除方法，在此基础上提出了生产无裂纹合格带材的更合理工艺 制度。 中南大学硕士 学位论文 第二章实验 q s n 6 . 5 - 0 . 1铜合金在出现质量问题时的厂方生产工艺如下 ( 一部 分): 水平连铸 ( 1 5 .5 x 6 5 0 m m)一铣面 ( 1 4 .0 x 6 5 0 m m )均匀化 ( 6 4 0 0c / 7 h r )一冷开坯 ( 4 . 6 m m ). 为了解决这种产品在生产过程中所出现的冷轧开裂问题，基于上述生 产工艺，针对裂纹出生的原因，分阶段从厂方直接取样，并与厂方有关人 员一起讨论，确定各阶段试验内容和试验步骤. 2 . 1 样a ( 4 . 6 m) 表面观察 首先，从裂纹形貌和缺陷分析入手，将已开裂样品和没开裂样品进行 以下观察。 2 . 1 . 1有裂纹样品和无裂坟样品表面比较 将已冷轧到4 . 6 二 带材的已开裂样和未开裂样进行初步处理 ( 将表面 油污擦拭干净)，在一般显微镜下对这两种样品宏观对比观察。 2 . 1 . 2扫描电 债观察 为了进一步了解微裂纹形貌及裂纹处成分，从而初步分析产生这种微 裂纹的原因，为制定后面的实验方案做准备:通过扫描电镜 ( j s m - 5 6 0 0 l u s c a n - n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 观察微裂纹断口 形貌及分析裂 纹处化学成分。 2 . 2带s . 质f的 植侧 为了了解该材料在当时生产过程中，带坯的质量情况 ( 反偏析、显微 疏松、带坯组织、结晶中心线位置、液穴深度等)与后继加工过程中产生 裂纹的关系，针对以上各方面，对于反偏析、显微疏松和带坯组织，在实 验室做相应的实验来验证:而结晶中心线位置和液穴深度就在生产现场进 行实验。 2 . 2 . 1 铸m i 表面偏析层的iii 中 南大学硕士学位论文 沿着带坯上下面和左右边分别以 0 . 2 m m , 0 . 5 m和1 . o m m 不等的进刀量 车削，测量不同部位s n , p 的实际含量，了解该材料带坯偏析情况。 2 . 2 . 2带坯悦面质f情况检侧 对铣面以后的样品，通过扫描电镜观察其表面， 了解铣面质量情况， 从而进一步了解裂纹产生的原因。 2 . 2 . 3带坯组织观察 对水平连铸锭坯 ( 1 4 . o m m )，利用金相显微镜 ( p o l y v a r - - - - m e t 电子 显微镜)观察其宏观组织和显微组织。 宏观组织试样为全宽度范围横断面、纵断面和表面，显微组织取自 侧 边、1 / 4 处和中心。 试样制备时，低倍组织检验，用金相砂纸打磨好后，采用5 0 % h n 仇水 溶液浸蚀;高 倍显微组织用c r 2 0 3 , m g 0 进行机械抛光， 用f e c l 3 酒精溶液浸 蚀。 为了了解其他厂家的铸锭横断面组织情况，也将上海某厂锭坯样品与 该厂样品进行比较。 2 . 3硫松、 缩孔再现实脸 为了了解熔铸过程中产生的疏松、缩孔对后继冷加工的影响，做了疏 松、缩孔的再现实验。 2 . 3 . 1烙怜 将厂方来料在中频无芯感应加热炉中 ( 功率 p = 1 0 0 k w ,频率 f = 1 0 0 0 h z )直接重熔，将三个砂型模在箱式电阻炉中分别加热至 3 5 0 c , 4 5 0 c , 5 5 0 c ，另一个为室温，即在不同的冷却 温 度 ，进行浇注。其中， 精炼剂成分为:n a c l ( 5 0 % )，k c l ( 1 0 % )，冰晶石 ( 4 0 % )。 2 . 3 . 2均匀化退火 将浇注的四个锭子车成 1 4 m m 厚的样后进行均匀化处理( 6 8 0 c / 6 h r )。 2 . 3 . 3轧制 按厂方轧制工艺，在实验室将均匀化后样品在(b 3 8 0 x 4 0 0 m m 二辊轧 _ ip a 鑫 * * t * 生乙一一一一一一一一 机上 2 . 3 . 由1 4 m m冷轧到4 . 6 m m. 个 ， 2 . 4 4硫松照片 将熔铸、均匀化、由 1 4 m m冷轧到 7 . 7 5 m m和 4 . 6 m m 的样品各取一 磨好后不浸蚀，照缩松。 均匀化实脸 在实验室均匀化，用箱式自动控制电阻加热炉加热，无保护气氛，退 火制度为5 5 0 c - 8 5 0 *c ，每隔1 0 c - 5 0 c ， 保温时间为1 - 7 h r ;生产现场钟 罩炉退火， n z 或n 2 + 2 5 % h 2 保护， 升温时间为 7 h r ， 保温or 。 分别以 不同的 热处理工艺，测定带坯组织与性能的变化规律。 此实验的目的是了解均匀化制度对带坯组织与性能的影响，据此制定 出适合该材料最合理的热处理工艺. 2 . 5冷轧模拟实脸 2 . 5 . 1三点夸曲实脸 为了模拟轧制时卷曲半径大小对q s n 6 . 5 - 0 . 1 冷轧带材性能的影响，将 不同条件下样品，根据轧制时卷取半径 ( 约8 0 0 - 1 4 0 0 m m )，分别选取 9 0 0 m m , 1 1 0 0 m m , 1 3 0 0 m m ，在c s s - 4 4 1 0 0 电子万能试验机上进行三点弯曲实 验。实验根据跨距、弯曲半径，计算好压下量，实验过程由计算机控制。 2 . 5 . 2冷轧工艺 ( 冷轧到4 . 6 m m )正交法实脸 为减少实验工作量而又能找到最优化条件，一般采用正交法，按正交 法进行实验，不但实验次数最少，而且还能获得较多的信息. 由前面各实验结果，根据厂方要求，验证现行加工工艺 ( 均匀化制 度、道次加工率分配等)的合理性，安排正交法:采用四因素三水平，使 用l 9 ( 3 )正交实验表，如表2 - 1 , 2 - 2 所示。 表2 - 1冷轧工艺正交实验因素水平表 、湃 吸 均匀化退 火 温度 t / -c 均 匀 化 退 火 时间 t / s 道 次 加 工 率分配 % 卷取 辊 径 d ( m m ) 16 4 046 7 . 1 4 0)9 0 0 26 8 05 6 7 , 1 4 ( 2 ) 1 1 0 0 37 0 06 6 7 . 1 4 ( 3 ) 1 3 0 0 中南大 学硕士学位论文 表2 - 2 冷轧工艺正交实验设计( 轧到4 . 6 m m ) 试 验 号 均 匀化退 火 温度( t / c ) 均匀化退火 时间( t / s ) 道次加 工率 分配 ( % ) 卷取 辊径 d ( m m ) 16 4 0 46 7 . 1 4 ( 1 )9 0 0 26 4 056 7 . 1 4 ( 2 ) 1 1 0 0 36 4 066 7 . 1 4 ( 3 )1 3 0 0 46 8 0 4 6 7 . 1 4 ( 2 ) 1 3 0 0 56 8 056 7 . 1 4 ( 3 )9 0 0 66 8 066 7 . 1 4 ( l )1 1 0 0 77 0 046 7 . 1 4 ( 3 )1 1 0 0 87 0 056 7 . 1 4 ( 1 )1 3 0 0 97 0 06 6 7 . 1 4 ( 2 ) 9 0 0 本次实验总变形量( ! %)为6 7 . 1 4 % ( 1 4 m m -4 . 6 m m )各道次加工率的 分配情况如图2 - 1 所示: /丫飞; 切川.叫01:姗姻伯洲州确 膝日月侣初 02“. 图2 - 1 道 次 道次与每道次加工率分配关系示意图 本实验中均匀化温度使用箱式电阻炉， 冷变形采用。4 2 0 x 5 0 0 m m 轧机 冷轧。安排三种不同情况的道次加工率分配。 本实验的目的是为了充分了解该材料的冷轧性能，几种工艺参数对其 性能的影响情况，并更进一步了解裂纹产生的原因。 2 . 5 . 3硬度侧f 采用h b - 3 0 0 0 布氏硬度计测量试样表面的硬度。硬度实验条件:负荷 为2 5 0 k g ,钢球直径为5 m m ，时间为3 0 s . 中南大学硕士学位论文 2 . 5 . 4拉 伸性能 的 侧试 沿垂直于板材轧制方向取样，按图 2 - 2尺寸加工成拉伸试样，并在国 产w d - 1 0 a 型电子拉伸机上进行拉伸，拉伸速度为2 m m / m i n . 图2 - 2拉伸试样加工尺寸图 2 . 5 . 5轧侧各道次金相组织观察 将冷轧以后的样品，按2 . 2 . 3 所述，对冷轧各个道次的样品进行金相 组织观察。 2 . 6残余应力的 翻试 由扫描电镜观察裂纹形貌，发现裂纹方向垂直于轧向，说明该带材表 面沿轧向必定有拉应力，拉应力肯定与前道次所累积的残余应力有关，所 以，有必要对其进行残余应力的测试。如前所述，采用以下几种方法对比 测试，对生产q s n 6 . 5 - 0 . 1 带材各工序残余应力进行定性、定量的分析。 2 . 6 . 1 x - r a y衍射法 ( 1 )经典s i n w 祛 用x -r a y 衍射法 ( b d -8 6 x -r a y 衍射测量仪) 测量各工序的 样品 表 面沿轧向的残余应力值，一般采用经典s i n w 法。 ( 2 )标准硅蜂法 考虑到该材料和生产工艺的特殊性，对 x - r a y衍射测试法除采用经典 s i n t法外，还采用一种比较特殊的测试方法标准硅峰法，即:将样 品表面抹一层矿物油 ( 要求对 x - r a y 无干扰，而且粘度好)，再涂上一层 - 生鱼矍鱼燮丝鱼乙一一一一一一 硅 粉( - 2 0 0 - - 3 0 0 目 ， 5 0 0 正火) ， 硅 峰的 测 量 值 作为 标 准峰 位， 从 而比 较各试样测量时峰位相对移动情况。 2 . 6 . 2钻孔法 采用钻孔法 ( z d l - - - - 1 型轻便钻孔机;应变片:型号为b x -1 2 0 0 0 ， 灵 敏系数为2 . 1 6 ,精度等级为a :应变仪为y j 2 8 r 1 0静态电阻应变仪)测量 各工序的样品表面沿轧向的残余应力值，所有样品由厂方提供，1 # , 2 # 试 样只测试一个面 ( b 面)从边部到中心分别测三个点:3 # , 4 # , 5 # 试样测 两个面，每个面只测一个点。样品测点布置如图2 - 3 所示。 边部 3 # , 4 # , 5 # 试样 b 为卷曲带外面， a 为带卷的内表面 a ( b ) 中心 一xx 轧制方向轧制方向 图2 - 3样品测点布置 2 . 7 2 。 7 . 有限元数值模拟 1热模拟实脸 在g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟机上， 根据厂方冷轧工艺， 如表2 - 3 所示。实 验中每个样品均采用石墨作润滑剂，摩擦条件不变.得到由 1 4 m m冷轧 到 4 . 6 m m时压力一 位移曲 线， 再利用o r i g i n软件处理得到应力一 应变曲 线，为后面的计算机模拟提供数据。本实验样品共9 个试样，退火工艺如 表2 - 4 所示。 表2 - 3 厂方冷轧部分工艺 轧制道次1 一 2 3 4 一 56 l 7 8 道次 轧制后 厚度( m m ) 1 2 . 41 0 . 59 . 07 . 7 56 . 75 . 8 55 . 1 54 . 6 变形速率s - 7 . 8 1 3 . 11 3 . 71 4 . 61 5 . 61 6 . 2 1 6 . 6 2 2 . 6 中南大学硕士学位论文 表2 - 4 热模拟实验样品 试样号1 6 # 7 # 1 8 # 19 。1 0 。一11 1 #1 2 #1 1 3 #1 4 # 均匀化温度 ( ) 6 4 06 4 06 4 06 8 06 8 06 8 07 1 07 1 07 1 0 均匀化时间 ( h ) 567567 345 接触面积m m 3 6 . 8 3 8 . 0 4 0 . 8 3 8 . 54 4 . 7 4 5 . 61 3 8 . 4 4 8 . 1 3 9 . 5 2 . 7 . 2冷轧过程数值模拟 采用h i p工作站d e f o r m - - 2 d软件，针对生产现场的实际情况，对 q s n 6 .5 - 0 . 1带材冷轧过程，用有限元方法进行计算机数值模拟，并对轧 制过程的每一个道次进行了一系列数值分析。 本实验的主要目的是利用 d e f o r m- - 2 d软件