金属极薄带轧制实验及其尺寸效应研究

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作者：

宋孟

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摘要：

随着微型机电系统在航空航天,精密仪器,生物医疗等领域应用范围的扩大,对金属极薄带的需求逐年增加,对质量的要求也越来越高.金属板料尺寸由毫米级降至微米级时,金属极薄带力学性能呈现出与宏观尺度相异的变化规律,这种差异对工艺路径制定和质量稳定性控制带来一定影响.基于以上背景,本文在国家自然科学基金资助下,开发了低成本,无中间退火的极薄带异步轧制制备技术,并应用ABAQUS有限元软件,分析了异速比等工艺参数对轧制力分布和搓轧区比例的影响.选择应用较广的工业纯铝AA1060,工业纯铜T2和低碳钢Q195为研究对象,通过极薄带异步轧制方法,研究对应的微尺寸效应,探索其微观组织转变特点及变形机制,在此基础上结合热处理工艺制备出厚度方向单层晶金属极薄带,并对单层晶的力学性能进行实验研究.主要研究工作及成果如下:(1)利用大张力的异步轧制组合成形工艺,开发了无中间退火的极薄带制备技术,并分析了典型质量缺陷的成因及解决措施.建立二维弹塑性轧制模型,对极薄带轧制过程进行了模拟,轧件出口厚度和轧制力的模拟结果与实测值比较误差分别为3.7%和7.3%,表明模型具有较高的精度和可靠性.分析了轧制工艺参数,如异速比,摩擦系数,前后张应力,预压紧力和材料的变形抗力对轧制力分布,接触弧长度和搓轧区比例的影响.结果分析表明,a)增大异速比,张应力均可以显著降低轧制力,同时减小接触弧长度;b)增大摩擦系数,预压紧力和材料的变形抗力,均使轧制力升高,接触弧长度变长;c)异速比,摩擦系数,前张应力和预压紧力均可以一定程度上增加搓轧区比例;d)随后张应力和材料变形抗力的增加,搓轧区会逐渐减小.(2)在研究了工艺参数对极薄带异步轧制过程影响的基础上,以厚度分别为8 mm,4mm,2 mm,初始力学性能和晶粒尺寸近似相同的工业纯铝1060为研究对象,在无中间退火的条件下,利用异步轧制技术,制备了厚度区间为0.3～0.02 mm的工业纯铝极薄带,并研究了极薄带在轧制过程中力学性能变化的尺寸效应及组织演变规律.结果表明,即使原料初始厚度不同,但当真应变大于 2.77时,且厚度为0.125 mm～0.1 mm时,工业纯铝极薄带均呈现抗拉强度的尺寸效应,即抗拉强度随轧制过程进行,呈先增大后减小的趋势.经剧烈塑性变形后,工业纯铝晶粒尺寸由～60 μm细化至～500 nm,相邻晶粒间多为大角度晶界.轧制过程中,形变织构铜型织构C-{112}111和黄铜型织构B-{011}211逐渐增强,在厚度为0.1 mm处晶体取向密度达到最大值,在厚度为0.02 mm处其取向密度值反而大幅度下降,并逐渐形成旋转立方织构RC-{100}011.(3)以厚度为5.8 mm的工业纯铜T2为原料,在无中间退火的条件下,利用异步轧制技术,制备了厚度为0.3～0.025 mm的极薄带,并研究了轧制过程中力学性能出现的尺寸效应及组织演变规律,结果表明,当厚度由5.8 mm减薄至0.1 mm时,抗拉强度逐渐升高,而当继续减薄至0.025 mm时,抗拉强度反而降低.研究发现,当试样厚度由5.8 mm减薄至0.025 mm时,晶粒尺寸从～60μm细化至～120 nm,且主要由大角度晶界组成.位错密度和微观应变同抗拉强度均呈先增大后减小的趋势.轧制织构主要由铜C-{112}111,黄铜Bs-{011}211和S-{123}634组成,织构强度呈单调增长趋势.(4)以原料厚度为0.3 mm的低碳钢Q195为实验对象,在无中间退火的条件下,利用异步轧制技术,制备了 0.10～0.025 mm的极薄带,并研究了轧制过程中的微观组织及力学性能变化规律.结果表明,Q195的抗拉强度随厚度的变化也出现尺寸效应,微观硬度与抗拉强度同样呈先增大后减小的趋势.原始晶粒组织～10 μm,随变形程度加剧,晶粒呈纤维状分布,轧制到厚度为0.025 mm时,晶界已经几乎难以分辨.(5)结合拉,压,剪的异步轧制组合成形技术和热处理工艺,制备了厚度方向仅一层晶粒的单层晶极薄带,并研究了其力学性能特点.通过制备10种不同T/D(试样厚度/晶粒尺寸)极薄带试样(T/D=0.4～4.2),经力学性能测试,结果表明,当T/D值在3.6～2.0时,抗拉强度开始随T/D值的减小而显著减低.分析认为,单层晶极薄带由于比表面积超大,位错在迁移过程中逃逸概率增大,因此抗拉强度较低.(6)对金属极薄带轧制过程中出现的尺寸效应,根据力学原理进行了分类研究:第Ⅰ类尺寸效应,表现为普通金属材料即使在无中间退火的条件下,经持续冷加工变形,也不会因加工硬化出现板材缺陷中止轧制过程,主要与极薄带轧制过程中的负辊缝轧制等变形特点相关.负辊缝轧制的出现,使轧件边部受到较强的垂直方向及横向压应力,极薄带的静水压力增加,能有效抑制微裂纹等缺陷的形成和发展,提高材料的延展性.第Ⅱ类尺寸效应,表现为材料的抗拉强度随轧制过程进行呈先增大后先减小的趋势,主要与表面层效应及微观结构相关.工业纯铜极薄带厚度由0.076 mm持续减薄至0.025 mm的过程中,晶粒尺寸维持在～120 nm左右,造成试样表面层晶粒比例增大,位错运动到表面层时消失的概率增加,由此造成抗拉强度的降低,产生尺寸效应.

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