杜少奇,朱協(xié)彬*,吳 平,張 俊
(1.安徽工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.安徽眾源新材料股份有限公司研發(fā)技術(shù)中心,安徽 蕪湖 241000)
銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和加工塑性,銅材料在機(jī)械、電氣、電子等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。銅板帶箔材在冷軋變形過程中由于晶粒破碎使得材料產(chǎn)生較強(qiáng)的加工硬化,冷軋后銅板帶的位錯(cuò)密度[1]增加,提高了材料強(qiáng)度、降低塑性。再結(jié)晶退火能夠有效改善晶粒破碎導(dǎo)致的冷軋加工困難的問題,從而實(shí)現(xiàn)銅板帶箔材的冷變形軋制加工。李才巨等[2]在探究純銅的冷變形和熱處理機(jī)制中發(fā)現(xiàn),純銅冷變形處理后,材料強(qiáng)度最高可達(dá)439.3 MPa,冷變形材料經(jīng)退火處理伸長率明顯提高,但在200℃下出現(xiàn)明顯的低溫退火硬化現(xiàn)象。吳恒等[3]在對(duì)連續(xù)纖維晶純銅采用860℃短時(shí)熱處理中發(fā)現(xiàn),隨退火時(shí)間延長,退火孿晶數(shù)量先增后減,退火時(shí)間過分延長不利于孿晶的形成。Dai等[4]證明對(duì)于Cu-Mg-Te-Y 合金,退火溫度低于再結(jié)晶溫度時(shí)軋制得到的條帶狀組織無明顯變化,超過再結(jié)晶溫度退火,可以明顯改善硬化效應(yīng)。目前國內(nèi)外對(duì)于合金銅材和TP2銅管線材的研究較多,本文通過對(duì)六道次冷軋TP2無氧銅進(jìn)行退火處理,試圖研究不同退火溫度下銅板帶材的組織形貌與力學(xué)性能的演變機(jī)理和規(guī)律,探究符合壓延銅箔用TP2材料產(chǎn)業(yè)化的退火工藝。
試驗(yàn)材料采用眾源新材產(chǎn)品線帶材,來料厚度為15 mm,經(jīng)過φ400 mm×175 mm 的四輥冷軋機(jī)進(jìn)行六道次冷軋,總加工率約為91%,軋后厚度為1.3 mm,其主要化學(xué)成分如表1所示。
退火處理用科晶KSL-1200箱式熱處理爐,工藝參數(shù)分別為340 ℃/4 h、400 ℃/4 h、460 ℃/4 h 和520℃/4 h。隨爐冷卻至室溫后除去試樣表面氧化層,使用線切割機(jī)從冷軋態(tài)及退火態(tài)板材中切割尺寸為10 mm×10 mm×1.3 mm 金相試樣和220 mm×20 mm、標(biāo)距為61.89 mm 的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。拉伸試驗(yàn)參照GB/T 228.1-2010室溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),用AGS-X 型萬能試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的拉伸速度下進(jìn)行,斷裂后使用線切割機(jī)切下斷口部分,并用超聲波清洗機(jī)清洗,以去除斷口中殘余的斷裂顆粒。采用T MVS-1型數(shù)顯維氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的顯微硬度,載荷200 g,加載時(shí)間10 s,每個(gè)試樣測(cè)量12個(gè)硬度值,去除兩端誤差極限的兩個(gè)硬度值。試樣腐蝕溶液采用氯化鐵鹽酸溶液Fe Cl3(5 g)+HCl(15 mL)+乙醇(80 mL),腐蝕時(shí)間約為30 s,并對(duì)試樣進(jìn)行清洗、干燥處理。使用基恩士VH-5000超景深光學(xué)顯微鏡觀察試樣宏觀組織,斷口形貌觀察借助日立S-4800掃描電子顯微鏡,物相表征分析采用德國布魯克D8 FOCUS X 衍射分析儀以掃描角度30°~100°、波長0.154 n m 和4°/min掃描速度進(jìn)行。
光學(xué)顯微鏡觀察冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣如圖1所示。由圖1a、b可見,式樣為冷軋態(tài)組織,冷軋態(tài)組織中由于水平連鑄時(shí)冷卻速率不穩(wěn)定導(dǎo)致的孔洞經(jīng)過多道次的軋制形成“溝壑狀”缺陷[5]。銅帶發(fā)生塑性形變,沿軋制方向的晶粒細(xì)長呈軋制變形帶。由圖1c可見,能清晰地觀測(cè)到試樣在340℃下發(fā)生部分再結(jié)晶組織演變,再結(jié)晶晶粒尺寸約為6.0μm,“溝壑狀”缺陷明顯減小[6-7]。由圖1d可見,退火溫度為400℃時(shí),試樣再結(jié)晶程度增加,演變組織中開始出現(xiàn)等軸晶粒,平均再結(jié)晶晶粒尺寸約為16.0μm。冷軋態(tài)中“溝壑狀”缺陷隨組織內(nèi)應(yīng)力消除和晶粒再結(jié)晶而繼續(xù)減小。由圖1e可見,當(dāng)退火溫度上升至460℃時(shí),觀測(cè)到銅帶“溝壑狀”缺陷基本消失,晶粒整體均勻,等軸晶逐步增加,再結(jié)晶基本完成,平均晶粒尺寸為28.5μm,未見異常粗大晶粒。由圖1e可見,當(dāng)退火溫度升高至520℃時(shí),原先已經(jīng)再結(jié)晶晶粒長大,在顯微鏡下能觀察到粗大再結(jié)晶晶粒,平均晶粒尺寸為40.7μm。各退火溫度下皆能觀察到退火孿晶[8],試樣再結(jié)晶時(shí),晶粒在晶界移動(dòng)的基礎(chǔ)上生長,晶界角所在位置發(fā)生堆垛疊層順序錯(cuò)誤,從而在晶界角處形成退火孿晶。熱力學(xué)因素決定了冷軋后的金屬在熱處理過程中的變化趨勢(shì),但實(shí)際變化也受到動(dòng)力學(xué)條件的限制,參照當(dāng)前研究分析理論[9]:熱處理促使冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶,變形能的積累反映出位錯(cuò)的擴(kuò)展和彈性應(yīng)力的存在,導(dǎo)致變形金屬的吉布斯自由能上升,從而使材料處于不穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)且傾向于形成降低能量的穩(wěn)定狀態(tài)。退火處理的影響機(jī)理是原子擴(kuò)散和空位運(yùn)動(dòng),伴隨溫度升高,原子對(duì)外擴(kuò)散能力增強(qiáng);溫度降低,擴(kuò)散難度加劇。因此,加熱溫度增加就會(huì)發(fā)生變化,原子擴(kuò)散能力增加,從而滿足運(yùn)動(dòng)條件。
圖1 冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣顯微組織
通過對(duì)冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣進(jìn)行X 射線衍射分析,將試樣與JCPDS卡片標(biāo)準(zhǔn)Cu粉末衍射花樣結(jié)果對(duì)比,利用二者面心立方結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)這5個(gè)晶面衍射峰,根據(jù)公式計(jì)算對(duì)應(yīng)晶面的織構(gòu)系數(shù)(Texture Coefficent,TC),利用所計(jì)算出的晶面指數(shù)(hkl)織構(gòu)系數(shù)的大小來分析所選晶面的擇優(yōu)取向程度[10-11],判定各試樣的晶粒取向,公式為:
式中,I表示晶面的衍射強(qiáng)度;n為衍射峰數(shù)量;所得TC值作為定性對(duì)比分析,TC值越大,表明所指征晶面擇優(yōu)取向程度越高。
冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣XRD 圖譜如圖2所示。由圖2可知,隨著退火溫度的升高,各試樣XRD 衍射峰右移程度減小,分析可能在內(nèi)應(yīng)力的作用下晶格發(fā)生各向異性收縮,導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。分析可能在內(nèi)應(yīng)力的作用下晶格發(fā)生各向異性收縮,導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變,衍射峰發(fā)生偏移。通過退火處理,材料內(nèi)應(yīng)力隨退火溫度升高而逐漸消除,晶胞逐漸收縮,導(dǎo)致衍射峰偏移量逐漸減小。黃繼武等[12]指出,正膨脹系數(shù)材料的特性使材料膨脹與溫度呈正相關(guān),根據(jù)布拉格方程2dsinθ=λ可知,波長不變的條件下,晶面間距增大,峰位回復(fù)程度越大。各試樣晶面TC值如表2所示,試樣(222)晶面的TC值大于其余4個(gè)晶面,表明試樣晶粒在(222)晶面擇優(yōu)取向程度最高。隨退火溫度升高,試樣在(222)晶面TC 值分別增加-43.90%、9.88%、4.11%、-8.29%。340℃/4 h退火態(tài)試樣在(311)晶面TC 值增長率最高為5.26%,400℃/4 h、460℃/4 h和520℃/4 h試樣在(200)晶面TC 值增長率最高分別為162.87%、140.03%、164.32%。
圖2 冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣XRD 圖譜
表2 冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣各晶面TC值
TP2無氧銅板帶材冷軋態(tài)下硬度為133 HV,抗拉強(qiáng)度為453.25 MPa,斷后伸長率為24.3%。當(dāng)退火溫度從340℃上升至520℃,硬度呈小幅度下降趨勢(shì)由69.6 HV 降低到53.82 HV。不同退火溫度試樣的顯微硬度如圖3所示。由圖3可見,試樣的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度隨退火溫度上升而改變的趨勢(shì)大致相同。不同退火態(tài)試樣硬度出現(xiàn)不同程度的下降,冷軋態(tài)和340℃/4 h試樣之間的下降斜率最大,因?yàn)榻饘傩巫兞颗c晶格畸變呈正相關(guān),晶格發(fā)生畸變的同時(shí)晶粒破碎不斷增加,位錯(cuò)在組織內(nèi)不斷堆積、纏繞[12],硬度增加。退火過程中內(nèi)應(yīng)力逐漸消除,破碎晶粒開始回復(fù)再結(jié)晶,位錯(cuò)密度逐漸減小,硬度下降程度大。再提高溫度,硬度的降幅逐漸減小趨向平穩(wěn)。
圖3 不同退火溫度試樣的顯微硬度
不同退火溫度試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可知,冷軋態(tài)試樣應(yīng)力-應(yīng)變斜率較小,分析是由于冷軋狀態(tài)下材料內(nèi)部微觀機(jī)制上位錯(cuò)密度較高,內(nèi)應(yīng)力較大,隨著拉伸載荷加大,首先沿切應(yīng)力方向克服內(nèi)應(yīng)力做工,同時(shí)沿(111)晶面<111>方向克服位錯(cuò)產(chǎn)生滑移。退火態(tài)試樣伸長率除340℃出現(xiàn)降低外,其余溫度下皆出現(xiàn)明顯的增加。當(dāng)退火溫度從340℃上升至520℃,試樣抗拉強(qiáng)度在460℃時(shí)最低達(dá)到162.65 MPa,斷后伸長率遞增,520 ℃時(shí)最大可達(dá)45.90%。由表2 知,試樣在退火前后(200)、(220)和(222)晶面TC值先在340℃/4 h減小而后增大,分別減小1.61%、15.57%、43.90%。其中(222)晶面擇優(yōu)取向與拉伸性能增減趨勢(shì)同步,且各溫度下退火態(tài)試樣晶粒在(222)晶面取向程度最優(yōu),分析可能(222)晶面擇優(yōu)取向影響材料的抗拉性能。對(duì)比400℃/4 h、460℃/4 h和520℃/4 h三種退火態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度,波動(dòng)幅度較小,三者試樣抗拉強(qiáng)度近似。
圖4 不同退火溫度試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
不同退火溫度試樣拉伸斷口形貌如圖5所示。由圖5a、b可見,340℃/4 h退火試樣拉伸斷口形貌,試樣斷口保持基本平整,靠近斷口外側(cè)的剪切唇觀察到相對(duì)光滑,橫斷面中含有少許的韌窩,且韌窩較深。分析產(chǎn)生該現(xiàn)象是由于塑性變形和剪應(yīng)力較大,在該溫度條件下的退火不足以充分消除材料內(nèi)應(yīng)力,致使空穴沿孔洞不易形成的剪應(yīng)力方向形核,形成韌窩;應(yīng)力集中的同時(shí)界面結(jié)合力降低,形成解理小裂紋[14],主要斷裂方式為非孔洞韌性斷裂;由圖5c、d可見,400℃/4 h退火試樣拉伸斷口形貌,SEM 下斷口韌窩數(shù)量、分布均勻度上升,韌窩擴(kuò)張更為充分,斷裂方式逐漸向孔洞韌性切斷轉(zhuǎn)化;由圖5e~h可見,460℃/4 h和520℃/4 h退火試樣拉伸斷口形貌,由于退火溫度上升,內(nèi)應(yīng)力減小和再結(jié)晶的程度增大,試樣的塑性增大,試樣拉伸時(shí)發(fā)生均勻的塑性變形,外力作用下在位錯(cuò)逐漸增殖下形成微孔并在橫斷面上逐漸融合增大直至分離發(fā)生斷裂[15],逐漸形成等軸韌窩形貌。460℃/4 h退火溫度下,仍存有少量的撕裂棱。在SEM 下觀察到拉伸韌窩大小、分布均勻,深度較淺。在斷口中心處,韌窩占據(jù)橫斷面的主要部分,觀察韌窩無大小區(qū)別,分析試樣斷裂的機(jī)制為孔洞的形核、擴(kuò)展和聚合,斷裂主要方式是典型的孔洞聚集型正斷[16]。
圖5 不同退火溫度試樣拉伸斷口形貌
研究不同退火溫度斷口形貌可以得知,韌窩數(shù)量與退火溫度呈正相關(guān),韌窩大小隨著退火溫度的上升而減小,斷口外側(cè)剪切唇處為非孔洞塑性剪斷的斷裂機(jī)制,試樣斷裂形式均為韌性斷裂,拉伸斷口與力學(xué)性能相一致。
通過退火工藝試驗(yàn),對(duì)冷軋態(tài)和退火態(tài)試樣進(jìn)行OM、XRD、SEM、硬度和拉伸表征測(cè)試,研究了不同退火溫度下材料組織性能的演變規(guī)律,得出以下結(jié)論:
(1)試樣退火前沿軋制方向晶粒細(xì)長呈軋制變形條狀,隨退火溫度升高,試樣再結(jié)晶率逐漸加大,再結(jié)晶晶粒也依次梯度長大至40.7μm 左右,試樣內(nèi)“溝壑狀”缺陷逐步減少,直至基本完全消除。
(2)對(duì)比冷軋態(tài)與退火態(tài)試樣的晶面織構(gòu)系數(shù)TC 值,340℃/4 h退火態(tài)試樣在(200)晶面TC 值下降,400℃/4 h、460℃/4 h和520℃/4 h試樣在(200)晶面TC值增長率最高分別為162.87%、140.03%、164.32%,分析(200)晶面擇優(yōu)取向程度可能影響材料的拉伸性能。
(3)不同退火參數(shù)下520℃/4 h力學(xué)性能最優(yōu),材料的硬度由133 HV 下降至53.82 HV,抗拉強(qiáng)度由453.25 MPa下降至162.65 MPa,斷后伸長率提高至45.90%,拉伸斷口與力學(xué)性能相一致,斷裂韌窩數(shù)量與退火溫度呈正相關(guān),最后利于道冷加工處理。