形變量對高純銅微觀組織和織構(gòu)的影響

形變量對高純銅微觀組織和織構(gòu)的影響

雖然多晶材料中的顆粒軌跡通常是不規(guī)則的，但通過塑料變形并達到一定的變形水平，顆粒中的晶體軌跡會旋轉(zhuǎn)，其特定的晶面和晶向逐漸形成一定的方向，使結(jié)晶軌跡有序，并與嚴格的位向比進行形成結(jié)構(gòu)。材料的織構(gòu)是影響其性能的重要因素,織構(gòu)的形成受材料成分、形變條件(形變程度、形變溫度、形變速度等)、材料內(nèi)部特征(如第二相種類、大小、分布)及熱處理條件的控制。為了大幅度提高金屬材料的性能,材料形變過程中晶粒取向的演變研究一直受到廣泛重視。金屬在塑性變形過程中微觀組織的演變主要包括晶粒尺寸、分布的變化,晶粒的宏觀、微觀分裂,晶界及亞晶界特征的變化,晶粒取向的宏觀統(tǒng)計即宏觀織構(gòu)的形成等。已有的研究表明,多晶鋁、銅的形變微觀組織與晶粒的晶體學取向存在明顯的依賴關(guān)系,每一類型組織晶粒的晶體學取向在標準極射三角形中位于特定的區(qū)域。本實驗對高純銅板進行30%、50%、70%、90%形變量的冷軋加工,采用EBSD技術(shù)對軋制試樣進行微觀組織及織構(gòu)表征,揭示了高純銅在不同形變量下微觀組織及織構(gòu)的演變規(guī)律。1試樣制備及分組所用材料為退火態(tài)、純度為99.99%的高純銅,初始尺寸為5mm×15mm×180mm。將高純銅板冷軋30%、50%、70%、90%4個形變量。為保證平面應(yīng)變條件,每道次軋制幾何參數(shù)L/d≈2。選取RD-ND面進行微觀組織結(jié)構(gòu)及取向分析研究。試樣經(jīng)400#、800#、1200#、2000#、2500#、4000#水砂紙依次進行水磨,最后經(jīng)電解拋光獲得適合EBSD的試樣。電解液成分為:825體積磷酸,175體積蒸餾水;電壓為2V,常溫。采用配備有EBSD系統(tǒng)的Nova400Nano-SEM型場發(fā)射(FEG)掃描電子顯微鏡進行測試,工作電壓20kV,工作距離約15mm,使用HKLChannel5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。2結(jié)果與討論2.1形變量對晶粒尺寸及形態(tài)的影響由圖1(a)可以看出,初始狀態(tài)晶粒雜亂排列,形狀接近等軸狀,不同晶粒因取向差異而顯示不同襯度。當冷軋形變量增加至30%(如圖1(b)所示)時,晶粒明顯被拉長,產(chǎn)生了典型的軋制形變帶,說明晶粒內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生取向變化,部分晶粒開始發(fā)生分裂。當冷軋形變量為50%(如圖1(c)所示)時,晶粒沿RD方向進一步拉長,形變帶與RD方向夾角減小,接近平行,同一晶粒內(nèi)部的不同區(qū)域襯度發(fā)生顯著差別,晶粒分裂更明顯。當冷軋形變量進一步增加到70%(如圖1(d)所示)時,晶粒沿ND方向被嚴重壓縮,呈明顯的長條狀,形變帶幾乎平行于RD方向,晶粒內(nèi)部取向變化進一步加劇,晶界已變得非常模糊。當冷軋形變量為90%(如圖1(e)所示)時,晶粒變得更加細長,產(chǎn)生層片狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)退火處理后的材料因位錯等缺陷較少,很容易運用光學顯微鏡得到表達晶粒信息較好的金相照片,而經(jīng)形變后的材料因晶界處包含大量的位錯等缺陷,往往不容易獲得表達晶粒信息較好的金相照片。通過EBSD技術(shù)獲得高純銅冷軋板晶粒取向信息,再經(jīng)晶界重構(gòu)可以得到其晶粒形狀、平均尺寸及分布等特征,為分析形變高純銅微觀組織結(jié)構(gòu)中宏觀晶粒信息提供了一種新的有效手段。表1為經(jīng)EBSD晶界重構(gòu)計算的不同形變量高純銅的平均晶粒尺寸分布和晶粒高寬比。圖2為不同形變量高純銅的晶界重構(gòu)圖。圖3為不同形變量高純銅的晶粒尺寸分布及高寬比。由表1、圖2、圖3可以看出,隨著形變量的增大,高純銅的晶粒平均尺寸不斷減小,高寬比逐漸增大,這是由于在軋制過程中晶粒內(nèi)部發(fā)生多滑移,產(chǎn)生微觀分裂和轉(zhuǎn)動,各晶粒逐漸被拉長形成沿軋制方向的纖維組織。并且隨著形變量的增大,晶粒尺寸標準差以及標準差與相應(yīng)晶粒尺寸的比值都降低,說明晶粒尺寸在逐漸減小的同時變得均勻。2.2不同形變量對試驗材料力學性能的影響在EBSD的織構(gòu)組分取向重構(gòu)圖中,不同的顏色表示不同類型的織構(gòu)。在原始試樣(退火態(tài))中,其它(Others)取向(白色區(qū)域)含量較高,其它(Others)織構(gòu)所占比例很低。隨著形變的進行,其它取向區(qū)域迅速減少,冷軋織構(gòu)(Brass、S和Copper)的比例迅速提高。當形變量為50%時,微觀組織已大部分為Brass、S和Copper組成的冷軋織構(gòu)取向區(qū)域。通過EBSD織構(gòu)重構(gòu)對不同織構(gòu)組分含量進行定量分析,對相同形變量下不同區(qū)域的同種織構(gòu)組分進行加權(quán)運算,得到不同形變量下不同織構(gòu)組分的含量及變化曲線,如圖5所示。由圖5可以看出,隨著形變量的增加,冷軋織構(gòu)組分(Brass、S和Copper)取向的含量都呈增大的趨勢,其它(Other)取向的含量迅速減小。在不同的冷軋織構(gòu)組分中,S取向的含量最高,Brass織構(gòu)含量較Copper略高。在冷軋織構(gòu)中S取向的含量一直占主導(dǎo)地位,形變量達到90%后3種冷軋織構(gòu)組分(Brass、S和Copper)的含量總和已達到85%以上,表明在大形變量下已經(jīng)形成了顯著的冷軋形變織構(gòu)。由圖6可以看出,軋制前試樣較多晶粒取向集中于{101}方向附近,也有較弱的{001}織構(gòu),隨軋制過程的進行;當形變量為30%時取向更加集中于{101}方向及極射三角形中部區(qū)域;當形變量為70%時,晶粒向{101}方向集中的趨勢更加明顯,已觀察不到形變量為50%時極射三角形中部區(qū)域的集中取向;形變量增加至90%后,極射三角形中部取向又逐漸增加。在不同形變量下{111}方向始終無取向集中。由以上分析可以認為,高純銅的形變過程中主要存在靠近{101}方向和極射三角形中部的兩類形變織構(gòu)。圖7為不同形變量下的α取向線變化。由圖7可以看出,原始試樣無明顯α取向線上集中取向,當形變量為30%時,靠近{110}〈112〉方向的取向明顯增加,隨著形變量的增加,接近該取向的織構(gòu)逐漸增加,但當形變量小于70%時增加并不明顯,形變量增加至90%后,{110}〈112〉取向明顯增加。圖8為不同形變量下的β取向線及對應(yīng)角度。由圖8可以看出,原始試樣無明顯β取向線上集中取向,隨著形變量的增加,β取向逐漸增加,當形變量小于70%時增加不明顯,形變量為90%后β取向線密度明顯增加。此外,隨著形變量的增加,ψ1逐漸減小,Φ逐漸增加。由不同形變量下α取向線及β取向線上的織構(gòu)演變可以看出,隨著形變量的增加,均出現(xiàn)明顯的集中織構(gòu),值得注意的是,當形變量小于70%時,織構(gòu)增量不明顯,當形變量為90%時,α取向線及β取向線上的織構(gòu)大幅增加,說明后續(xù)軋制形變對多晶高純銅織構(gòu)的影響更明顯。3形變量對織構(gòu)的影響(1)隨著軋制過程的進行,晶粒逐漸細化拉長,尺寸分布更加均勻;冷軋織構(gòu)組分(Brass、S、Copper)不斷增加,其它織構(gòu)組分不斷減小。(2)隨著形變量的增加,冷軋織構(gòu)(Brass、S、Copper)含量逐漸增加,其中S織構(gòu)最多,Brass織構(gòu)次之,Copper織構(gòu)最少,形變量至90%后,冷軋織構(gòu)含量高達85%以上。(3)隨著形變量的