织构的定义及应用

织构的定义及应用

在形成过程中，由于电、热、磁、力等因素的影响，或形成后的不同加工技术的影响，多晶体中的晶体沿着某些晶向排列，导致各种不均匀统计，即某些晶向上排列的现象，导致这些晶的向上生长概率增加，这就是所谓的选择和取向。这种组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理,故称之为织构(texture)。专业的织构概念是:多晶体取向分布状态明显偏离随机分布的取向分布结构(deviationofrandomorientationdistribution)。织构测定在材料研究中有重要作用。目前国内对铝合金织构研究走在前沿的单位主要有中南大学、东北大学等高校。东北轻合金有限责任公司等铝加工企业正应用有关织构理论来指导高压阳极箔、深冲制品的生产;尝试解决工业生产的雷管带材、笔帽用板材、化妆品盖用带材、高级防盗盖用板带材、手机电池外壳用板带等产品在使用过程中出现的表面流纹、表面起皱、粗糙、冲制开裂等问题;通过建立生产工艺—织构—制耳的对应关系,尝试着稳定地在线控制板带材织构组成,以满足对板带材性能的不同需要。织构常常产生于多晶材料的生产过程之中,如铸造、轧制、挤压、拉伸、退火至相变的过程都会引起织构的生成,实际生产中很难找到没有织构的非粉末材料。研究表明即使是金属粉末,有时在其烧结过程中也会产生某种织构,织构的存在带有普遍性。在外力作用下,晶体内的位错不断滑移或出现机械孪生,使金属产生塑性变形,同时晶体的取向也会随之相应的转动。随着变形量的不断增加,多晶体内各晶粒的取向会逐渐转向某一或某些方向上来,形成不同类型的变形织构。变形织构的类型主要受变形金属材料的性质及加工方式的影响,变形织构类型的变化也会对其后的再结晶过程产生影响。1大变形轧板织构铝合金中轧制织构是最常见的一种变形织构,板带材在加工生产过程中都要经过轧制变形。铝合金主要有以下几种变形织构组分:黄铜织构{011}〈211〉、S织构{123}〈634〉、铜织构{112}〈111〉,还可能形成戈斯织构{011}〈100〉,表面纤维织构{001}〈110〉。大变形轧制后经过再结晶退火,主要形成再结晶立方织构{001}〈100〉,R织构{124}〈211〉以及残留的轧制织构。通常,这几种织构组分会存在于同一冷轧板内。每种组分的多少与金属的层错能有很大关系。铝合金属于层错能高的金属,其塑性变形机构主要是位错滑移,其织构的{112}〈111〉组分较强,{110}〈112〉组分较弱。R织构{124}〈211〉产生于原位再结晶。常见的立方晶系的取向见表1。2织构定量分析技术织构取向有三个自由度,因此多晶体取向分布需要三维空间表达。传统表达织构的方式是采用极图或反极图。晶体在三维空间中取向分布的三维极射赤道平面投影,称为极图。极图表示法是把多晶体中每个晶粒的某一低指数晶面(hkl)法线相对于宏观坐标系(轧制平面法向ND、轧制方向RD、横向TD)的空间取向分布,进行极射赤道平面投影来表示多晶体中全部晶粒的空间位向;空间分布以垂直晶体主要晶轴的平面作投影平面,作极射赤道平面投影,即成为此多晶体材料的该特征方向的反极图。极图或反极图仅仅是一个二维的平面图,它上面的一个点不足以表示三维空间内的取向,因此在极图或反极图上只能用若干个点表示某一取向。用{200}极图表达某一取向时需三个点,用{111}极图表达某一取向时需四个点。这就造成了极图上点密度的不确定性。某(HKL)极图上一点的密度实际上是一系列取向的(HKL)面法向在该极图点上的密度累积值,因此极图上某点的极密度若有变化,并不能确切地肯定哪个取向在变。若{111}极图立方取向与R取向有一点重合,R取向另一点又与戈斯取向上点重合在一起,则不能把它们区分开。极图的这一致命的弱点使得它难于对织构进行定量分析,而只能停留在对织构定性甚至半定性分析的水平上。采用取向分布函数分析金属材料中的织构可以使分析结果明确、细致、定量。因此,取向分布函数不仅迅速地运用在科学研究的各个领域,而且也越来越多地应用到工业生产中。根据实测极密度函数可以计算出取向分布函数。为了便于分析和对比,常常把取向分布函数值绘在平面图上。绘制方法是垂直于取向空间的某一欧拉角坐标轴方向,从取向空间中截取若干个等间距的取向面(一般可间隔5°),然后在各取向面上绘出取向分布函数(即取向密度)的等密度线,这样就获得了取向分布函数的图像表达。在织构检测中还要经常使用织构定量分析技术。所谓织构定量分析,不仅是指明确地判定出板材内各种织构的种类,而且要确定各织构组分的相对体积量。对于取向分布函数只有f(g)Δg才有体积量的概念。当板材有织构时,晶粒取向在取向空间内的分布就会明显偏离随机分布。因此织构定量分析不仅包括晶体聚集量,而且还包括晶体分布的漫散程度。东北轻合金有限责任公司技术人员除了利用X光衍射分析技术外,还建立了独特的更加准确快速的金相检测织构的方法。同时正尝试用其他常规理化检验指标代替X光衍射分析或反映X光衍射分析结果。以方便工业生产对检测的要求。3生产工艺与纺织结构的关系3.1晶粒组织构的比较有研究表明,铝合金随着变形量的变化,再结晶织构也会有所不同。通过织构组分分析可以得出,铝合金板低变形量时(冷轧30%、50%)冷轧织构基本上没有发生变化。因此轧板内主要发生了回复或原位再结晶。只有冷轧织构中的反戈斯织构组分(80°～90°,45°,0°)消失了。中变形量时(冷轧70%,90%)出现了立方织构和黄铜R型织构,而R织构组分却不很强。冷轧70%时,黄铜R织构组分的出现表明不连续的初次再结晶在退火后仍然被保留下来,说明铝板内仍有一部分晶粒只发生了回复或原位再结晶。高变形量时(冷轧95%,98%),R织构组分在退火后变成了主要的再结晶织构,同时立方及黄铜R织构均未能出现。变形量影响冷轧铝板内晶粒再结晶的方式,因而造成不同的再结晶织构。许多铝合金都是在再结晶的状态下使用,所以再结晶织构其及造成的材料各向异性对于材料的使用有着极为重要的影响。一般来说,高变形量的冷轧铝板退火后主要生成两种再结晶织构组分,即立方与R织构组分。这两个织构组分的多少与铝板的纯度有很大关系,尤其纯铝中常规的杂质Fe的含量对立方与R织构组分有十分重要的影响。纯铝中不同Fe含量和退火温度对立方织构组分含量也有影响。高纯铝95%冷轧并退火后的再结晶织构,立方织构组分非常强(约60%),而R织构组分则相对较弱(约30%)。由于S织构与立方织构具有40°〈111〉的关系,退火时有利于向立方织构转化,黄铜织构易导致原位再结晶,最终退火时易产生原位再结晶,促使R织构形成而不利于立方织构形成。3.2铝基甲基的方织构合金越纯,杂质越少,越容易形成纯金属轧制织构,退火后立方织构越强。Fe含量的增加会增强形变织构,减缓再结晶形核和长大速率,削弱退火时立方织构的强度、强化退火R织构。添加Mn元素的铝合金,Mn与其他元素易形成粗大的第二相颗粒,进而促进再结晶形核和长大,最终强化立方织构。退火后大量细小的沉淀相的析出还可以提高加工硬化率,减缓轧制织构的形成,减小立方织构在冷轧过程的弱化。在高压阳极箔生产中,由于Fe在铝中溶解度很小,并严重阻碍(100)面的形成,Fe含量只相差百万分之几,铝箔的立方织构含量有很大差异。有报道说少量Cu元素有利于立方织构的形成。3.3影响方差织构的因素当轧制压下率大于50%时,变形织构{011}〈211〉、{112}〈111〉发展十分迅速。开轧温度和轧制终了温度对织构的影响很大,热轧温度越高,冷轧后的再结晶织构相对残留越多,有利于立方织构的强化。热轧温度较低时,热轧板将呈现较强的变形织构,将会使最终退火后R取向组分发达。增大热轧道次压下量,特别是热精轧道次压下量,提高轧制速度,有利于提高轧制终了温度,有利于动态回复,退火后立方织构增强。横轧所产生的织构是不同方向轧制所产生的织构叠加,但不是简单的代数和,而是相互抑制和增强。横轧激发更多的滑移系参与滑移和交滑移,引起旋转立方织构和丝织构{102}增强,削弱铜织构{112}〈111〉、黄铜织构{011}〈211〉、S织构和R/S织构。3.4强化再结晶方织构将含Mn的铝合金进行均匀化处理,有利于热轧和退火时立方织构的形成。通常铝板在冷轧变形后的退火过程中生成较为锋锐的再结晶织构。中间退火后的附加冷轧或最终冷轧阶段使用小直径轧辊可有效抑制R织构的形成。高温快速再结晶退火可以减缓和抑制回复,使再结晶驱动力增加,增加立方织构的形核率,细化晶粒,从而强化再结晶立方织构。研究人员对90%冷轧变形高纯铝板的冷轧态织构和400℃等温退火织构进行了测定和分析。结果表明,主要冷轧织构组分{114}〈221〉在向再结晶立方织构组分{001}〈100〉的转变过程中,出现一中间过渡的{001}〈110〉反戈斯织构组分。主要冷轧织构组分{114}〈221〉与反戈斯织构组分{001}〈110〉之间、次要冷轧织构组分{013}〈031〉与立方织构组分{001}〈100〉之间分别存在19.5°〈110〉和18.4°〈100〉的位向关系。高纯铝板再结晶织构演变过程可描述为{112}〈111〉+{013}〈031〉→{001}〈110〉→{001}〈110〉+{001}〈100〉→{001}〈100〉的转变过程。4试验验证与分析由于织构的存在,板材在深冲时就容易先沿冲杯的边缘部位扩展变形,而呈现凹凸不平状,即形成制耳。在铝合金中很难制成无织构的板材。主要变形织构之一S织构和再结晶R织构会造成很强的45°制耳,而再结晶立方织构会造成很强的0°或90°制耳。克服制耳的方法往往是设法制成弱织构板材,如降低冷轧变形量以减弱再结晶织构,或防止晶粒长大以避免织构的强化。铝板织构与制耳的关系可以看出当织构很弱时制耳现象消失,强再结晶织构会造成90°制耳,强变形织构会造成45°制耳。比较可行的方法是用特殊的生产工艺以获得某种织构的组合。例如,由于退火后的铝板强度较低,为了提高铝板深冲压的能力,需要在一定的冷变形加工硬化状态下进行冲压变形,如生产易拉罐的铝板需要80%冷轧变形所产生的加工硬化程度。为了避免冷轧织构所引起的45°冲压制耳,可以进行某种合适的冷变形及再结晶退火处理,以使铝板中形成足够强烈的立方织构,然后进行80%冷变形至所需的板厚,此时铝板中已形成了一定量的冷轧织构,但立方织构还没有完全破坏。这样两种织构叠加在一起达到某种平衡,可以互相抵消制耳效应,以获得无制耳或弱制耳冲压件。在生产实践中,经常遇到各种产品质量问题,有些工艺研究和质量攻关问题的处理如果运用织构分析技术或运用有关的织构理论,会得到事半功倍的效果,笔者作为东轻公司织构理论研究和应用小组的一员,亲历了很多成功的攻关事例,比如:事例1:为确定1050A合金0.8mm厚的板材塑性变形比、织构和深冲制耳倾向的关系,我们做了以下试验。取1050A合金铸锭,经350～400℃温度热轧至7.5mm,中温冷轧到0.8mm,沿轧制方向0°、45°、90°取样。分别240℃1h退火(期望变形织构主导);330℃1h退火(期望残留变形织构与立方织构叠加,各向异性小);550℃1h退火(期望立方织构为主)。在拉伸试样中心划上1mm×1mm的方形,取四个角为测量点。将试样进行10%的拉伸变形,标距70mm,绝对伸长7mm后,对变化量进行测量。按下公式计算r值r=(ΔW/W)/(ΔT/T)/W=[(1-W1)/Wo]/[(1-WL)/W1L1]式中:W、L为变形前的宽度和长度;W1、L1为变形后的宽度和长度;T、ΔT为变形前的厚度及由变形而引起的厚度变化量,ΔW为由变形而引起的宽度变化量。织构测定并绘制(111)极图。r值的计算结果及变化特征见表2和图3。240℃退火时,不同切取角度的r值变化为上凸度曲线,330℃退火后,图形改为凹形曲线,退火温度升高后凹度更加明显。不同温度的织构极图见图4、5和图6。240℃退火仍残留着强烈的{110}〈112〉、{112}〈111〉、{123}〈121〉织构,而{100}〈001〉立方织构很少。330℃时,{110}〈112〉、{112}〈111〉、{123}〈121〉和{100}〈001〉织构具有较理想的分布比例。550℃时{110}〈112〉、{112}〈111〉织构明显转变而逐渐消失,{123}〈121〉织构更加减弱,立方织构{100}〈001〉占绝对优势。这样,我们得到了1050A工业纯铝0.8mm板的制耳倾向判定方法,当r45大于r0和r0/r90时,代表变形织构强烈,材料冲制时45°制耳增大。当r0、r45、r90间的差值缩小到一定范围(不大于0.1)时,即是变形织构和立方织构呈理想分布之时。事例2:烟台某公司在使用东轻公司生产的8011-H16合金0.22mm×610mm规格的高档防盗盖材时,深冲过程中曾经常出现连续批量45°制耳,给供应商、承制厂使用单位都造成重大经济损失。怀疑是某个工艺参数发生变化导致工艺波动造成的。但分别沿轧制方向0°、45°、90°取样检测抗拉强度、非比例伸长应力、断后伸长率,将发生质量问题的板材与使用情况正常的板材做系统比较,未见异常。通过织构检测发现R织构得到了强化和变形织构有残留,前者非常明显为主要因素。最终从以下几个方面入手稳定了生产工艺。规范废铝重熔工艺,停止使用废铝铁模铸造,减少了Fe含量、适当增加了Si含量,w(Fe)/w(Si)=1.0～1.6;上限控制Mn含量(0.15%～0.20%);提高均匀化温度的控制精度;中间退火温度由360℃(11+1)h改为370℃(11+1)h;提高热轧终了温度,热轧开始温度由480°改为495°;采用盐浴炉快速高温退火。事例3:深圳一家公司首次在我公司订购了3003A-O合金0.58mm×1000mm×2000mm手机电池外壳用铝合金板材,冲制道次少(4个道次),冲制变形量大(大于60%)、大幅度变薄拉深(0.58～0.30mm),该材料的冲制工艺对板材的综合性能提出了非常苛刻的要求。原来材料大量从国外进口,国内生产难度非常大。针对其使用工艺,结合织构-制耳理论,我们优化设计了熔铸→均匀化→铣面→热轧→冷轧→拉矫→剪切→成品的工艺。一次供货成功,目前已稳定供货2kt。在研究过程中我们发现:3003A合金的成分(质量分数/%)Fe:0.55～0.60,Si:0.10～0.20,Cu:0.14～0.18,Mn:1.21～1.30,Mg:0.23～0.28为理想值。在确定成品退火时我们发现360℃以下退火时变形织构体积含量远大于再结晶织构的,85%/0.8%;420℃左右退火时立方织构占据了绝对优势,65%/11%;我们建立了常规检测与深冲指标的对应关系,比如该材料的屈强比控制在0.46～0.48时,能满足使用要求。目前我们正在做建立各种模型的工作,并把该产品的生产系列化。5国内运输领域的冷冲压使用2002年我国的铝产量比2001年有较大幅度的提高,铝板带的净进口量却居高不下,净进口量为288.3kt,这说明我国市场上急需的高档板带材仍主要依赖进口。我国铝板带、箔材的消费水平与世界发达国家相比,还有相当大的差距,与现在的世界平均消费水平相比还相差1.5～2.5倍。从近几年的铝材进出口量中也可以看出,铝板带、箔材消费增长趋势是非常明显的。铝板带材有巨大的发展潜力,将成为今后铝材发展的主要品种。由于铝是一种高能耗的产品,这种高能耗的特性,使得铝的生产集中在能源丰富的地区。在我国周边国家和地区中,除俄罗斯有出口能力、印度尼西亚有一定生产能力外,其余的全部需