Cu-Sn-P合金冷旋压变形后晶粒尺寸及织构分析

邓爱民，杨久旭，刘 壮

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159；2.沈阳工业大学，沈阳 110870)

旋压是金属成形中具有代表性的成形工艺之一，是综合了锻压、挤压、拉伸等工艺特点的金属成形工艺[1-2]，可以通过旋轮的进给运动加工出所需要的各种空心旋转体零件[3-6]。关于坯料外表面塑性变形机制，已经有了很完备的理论体系，代表性的是哈尔滨工业大学徐文臣课题组[7-8]通过弹塑性有限元方法和组织表征，总结了钛合金热旋压成型机理和强-韧性关系，建立了三维有限元分析力学模型，提取了旋压不同阶段的应力分布和节点力的分布规律；分析了旋压变形中旋轮攻角、进给比、道次减薄率等参数对旋压力及三向分力的影响，发现了热旋压过程中微观的组织变化趋势。徐文臣等[9]对立式对轮新型旋压机的结构设计进行了研究，采用Solidworks软件对各部件和整体结构进行有限元仿真,并进行结构设计优化，发现了机床框架增设加强筋可以有效提高结构刚度和设备精度；最终制造出径向承载60kN和轴向承载150kN的立式四对轮新型旋压机，并成功地进行了铝合金筒形件的对轮旋压工艺实验。杨剑等[10]针对薄壁封头在传统中心约束旋压过程中出现的壁厚不均匀性问题，构建了2250mm大型薄壁封头外环约束无模旋压的1∶1三维有限元模型，研究了进给率和旋轮圆角半径对旋压件的壁厚精度影响规律；结果表明，在第一道次剪切旋压中，小的进给率和圆角半径对目标构件的壁厚精度有利，在后续扩径旋压中，进给率和圆角半径越大，壁厚均匀性越好。M Zhan等[11]研究了带横向内筋大型复杂薄壁壳体多道次复合旋压的塑性成形过程，采用数值模拟和实验相结合的方法，以铝合金带横向内筋大型复杂薄壁壳体为代表，建立大型复杂薄壁壳体复合旋压全过程仿真平台与模型，研究不同条件下大型复杂薄壁壳体复合旋压及其特征结构旋压过程中的不均匀塑性变形行为和成形缺陷的形成机理。铜合金因具有良好的延展性，可以通过变形工艺加工成形状复杂的工件。鲁长建等[12]研究了Mg对纯铜螺纹管的组织及力学性能的影响，通过对不同成分配比的合金进行力学实验和微观组织观察，发现随着Mg含量增加合金晶粒逐渐减小，合金强度逐渐提高。但对于铜合金沿厚度方向的冷塑性变形关系研究较少，因此，本文通过EBSD表征技术，综合考虑铜合金沿厚度方向的组织变化。

1 实验材料与方法

试验材料选用退火态的Cu-Sn-P合金，其化学成分见表1。考虑到Cu-Sn-P合金的旋压规律，采用D300重型三轮旋压机进行旋压，设定旋压工艺的主要参数为：旋压件壁厚8mm，半径为40mm，减薄率约为35%，进给比约为0.7mm/r，成形角度为20°；旋轮沿进给方向运动，主要通过旋轮挤压改变壁厚，进一步影响材料的强度，旋压后壁厚为3mm，以旋压外表面为基准，分别沿旋压件的外表面(0～1mm)、中间位置(1～2mm)以及内表面(2～3mm)进行取样，通过TescanMAIA3扫描电镜和EBSD进行表征分析。

表1 Cu-Sn-P合金元素 wt%

2 结果与讨论

2.1 晶粒尺寸与取向分布

图1分别为旋压件沿厚度方向的晶粒取向及晶粒尺寸变化。

图1 晶粒取向分布

为了更清晰的表征微观组织，三个区域的EBSD数据采用了不同的倍率采集。不同颜色代表不同取向，颜色相同代表取向相同。从晶粒取向图1可以看出，晶粒取向呈随机变化，不存在晶粒的择优取向。经过旋压后，由于旋压件外表面处直接受力，受到环向应力的作用，晶粒被拉长；又由于受到较大的轴向和切向应变的作用，在晶界处存在破碎的小晶粒(图1a)。图1b沿厚度的中间部位，因为应力的传递作用，相对于表面部位，厚度中间受到的三向力减小，且与芯轴给予内表面传递的应力相互抵消，晶粒未被拉长，沿晶界处破碎。如图1c，在内表面处存在较多的原始晶粒和原始晶界，部分晶界依然呈等轴状，晶粒尺寸明显变大。综上可以发现旋压的强化机制主要是通过应变硬化实现的。

2.2 织构分布

对EBSD数据进行极图分析，如图2所示。

图2 旋压后不同位置的极图分布

通过图2可以进一步证实，沿厚度方向不同位置的极密度点分布随机，极密度值很小，没有明显的织构特征。由此可以推断合金的强化与织构无关。

2.3 晶界角度分布

图3为旋压件沿厚度方向上的晶界分布。

图3内绿线代表小角度晶界(Low Angle Boundaries,<10°,LAB)，红线(10～15°)和黑线(>15°)代表大角度晶界(High Angle Boundaries,HAB)。可以发现，LAB主要分布在大晶粒内部。 LAB分布较多的粗晶多为变形晶粒，由于应变硬化的作用，位错在粗晶内部聚集缠绕，极易攀移为亚晶界[13]。由外表面至内表面的方向上，晶粒尺寸逐渐增大。小晶粒逐渐被普通粗晶代替，表现出小角度晶界增加，亚晶界分布越密集。

图3 小角度晶界分布

3 结论

(1)经过冷旋压的Cu-Sn-P在应变硬化的同时，晶粒尺寸沿着厚度方向逐渐减小，内表面依然保留部分原始晶粒，厚度方向晶粒尺寸的差异影响了加工硬化组织的分布，旋压的强化机制是应变硬化。

(2)Cu-Zn-P合金具有Fcc结构且滑移系较多，因此一般织构比较微弱。合金经旋压变形后，织构沿厚度方向没有明显变化，极密度较低，取向呈现出随机分布状态。