深冲钢板的织构及塑性应变比r值的模型计算

第14卷第4期 2007年8月 塑性二程管报 JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING vol. 14 Aug. No. 4 Zt10丫 深冲钢板的织构及塑性应变比r值的模型计算’ (北京科技大学材料科学与学院，北京 100083) 马全仓 (宝钢股份公司技术中心，上海 201900) 毛卫民 王 利 冯惠平 杜 磊 摘 要:检测了无间隙原子钢 (IF钢)板的织构及板材与轧向夹角为。。、150, 300, 450, 600, 750, 900的，值。模 拟计算了Sachs模型和反应应力模型在体心立方结构12个 {011) G111]1W移系开动情况下的拉伸变形规律。基 于两个变形模型和板材的织构信息，计算了板材与轧向不同夹角时的。值。对不同模型的计算值与实测值进行了比 较，了误差产生的原因。 关键词:深冲钢板;织构;塑性变形模型;了值 中图分类号:TG113. 26 文献标识码:A 文章编号:1007-2012 (2007) 04-0060-04 引 言 塑性应变比 ((r值)是描述金属板带材深冲性 优劣的重要力学性能指标。无间隙原子钢 (IF钢) 是一种广泛使用的深冲用钢板。在实际生产中，经 常要检测IF钢板的r值，来评价钢板的深冲性优 劣。r值越高且不同方向的r值波动越小，则深冲 性越好。r值的测量通常在实验室中，借助于专用 的应变仪，测量钢板在一定的单向拉伸应变量下， 板材的横向与法向的应变之比值。这种传统的r值 的检测方法，不能满足现代化钢板带材生产的快速 及质量在线监控的迫切要求。因此，近些年来，期 望在大生产线上实现r值的实时在线检测，以确保 生产线的可靠性和稳定性[CU 钢板的r值受很多因 素的影响，而织构是最重要的影响因素[[21。因而， 开始研究如何进行织构在线检测以及如何利用钢板 的织构来在线检测其r值。目前，在此方面的研究 已取得了一些进展，提出了许多模型，并在铝板带 材的织构快速检测方面取得了较好的成果[31。但是， 对钢板的研究，无论是织构还是r值的在线检测都 还没有取得成功。钢板的r值在线检测的一个重要 方面就是，如何利用板材的织构信息，选择合理的 模型准确计算板材的塑性应变比。 本文以IF深冲钢板为实验材料，测量其织构及 各种方向的板材的r值，利用不同的塑性变形模型 和检测的织构计算其r值，探讨钢板r值的影响因 素及不同模型的适用性，为最终成功实现r值的在 线检测，提供理论依据。 1 实验及结果 选宝钢生产的同一批次的IF钢板为实验材料， 厚度为。.Smm，其化学成分如表1所示。 衰1 EF钢板的化学成分(质，分数，%) Tab. 1 Chemical mmmsitioos of IF steel 拼国家白然科学基金资助项目(50171014);国家“863" 资助课题 (2003AA331080), 马全仓 E-mail; quancma)yahoo. coin. cn 作者简介:马全仓，男，1969年生，博士生，工程师 收稿日期:2006-06-05 在SIEMENS D5000 X射线衍射仪上分别测量 两个钢板试样的{110),(200),(211}和{310}不完整 极图，并分别计算取向分布函数(ODF)，表示在图 la和图lb中。同时在图lc中也给出了钢板中常见 织构组分的位置。 由图1可看出，两个钢板的织构并不相同，B 的织构较弱，说明在生产过程中，钢板的织构并不 稳定。两个钢板试样的主要织构组分为a线织构及 7线织构。 在同批IF钢板样品上选取与轧向夹角0为。。、 150, 300, 450, 600, 750, 900时的7组拉伸试样， 每组3个试样。0角为试样拉伸方向与轧向RD的夹 角。为了统计性，共取两次共14组试样。在MTS- 81。材料试验机上做拉伸实验，测量样品在应变量 为10%时的r (0)值。实测的r值表示在图2中， 万方数据 第4期 马全仓等;深冲钢板的织构及塑性应变比r值的模型计算 Calc'dar'.t Cale A- M Ca ul- n values of A value. of B ured d，栩 :乡/a 二二岁一’炭二二二二二二- ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ， ? ? ? ?? ? ???? ? 。 V ‘-J 、 尸 口 !0011<100> 令10011<110> 0 {112)<110> △11111<110> 711111<112> 011101<001> 10 20 30 叨 50 60 70 80 90 Angle from RD, 0 Measured data --- Calculated values of A 丁Aver.ge measured dataCalculated values of B Measured data 6 e a-，一『一气_ ? ?? ? ， 图1 IF钢板中的织构(9,, =450ODF截面图， 密度水平:1, 2, 4, 8) a) IF At b) IF Bt c)主要织构的位置 Fig. 1 Texture of IF steel sheet 30 40 50 60 An目e from RD,' b ? ??? ?? ? ? ? ?? ?? ? ? ??????。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图中空心符号为实测值，实线为平均的实测值。由 图2可看出，r值在与轧向夹角B=900时有最高值， 在B=45。有最小值，呈现典型的低碳钢板r值的变 化特征。 图2 IF钢实测及计算的r值 a)反应应力模)V, b) Sachs模型 Fig. 2 The measured and calculated r values of IF sheet 、 ? ? ? ? ? ? 、 ?、 、 ? ? 、 、 2 r值的模型计算 对于体心立方结构的钢板，室温下的变形方式 主要是位错滑移。位错的滑移方向是<111>，而滑 移面是{011),1112}或{123}。但是，其中最主要的滑 称面是{011)。因此，本文以12个{011) < 111>滑移 系为基础，根据不同的塑性变形模型，利用板材的 织构信息，计算板材与轧向任意角度的，值。 Sachs模型是只考虑外拉应力作用下，晶体的 形变过程的模型。图3所示为模拟计算的晶体拉伸 轴的演变过程，其中，模拟的拉伸应变量为10 YO (e, =0. 0953),应变步长Lei =O. 0001, 由图3可看出，所有的晶体在单向拉伸时，拉 伸轴首先向反极图中<001>一<011>线转动，并 最终沿该线转向<011 。若以a角表示晶体在拉伸 过程中绕拉伸轴转动的角度，则_AftAE表示拉伸轴的取 向变化率。由图2还可看出，在<001>一<111> 线附近的取向，拉伸轴的取向变化率很大，即拉伸 图3 Fig. 3 Sachs模型的晶体拉伸轴演变反极图 (圆圈为初始取向) Inverse pole figure of tensile directions of Sachs model (the circles are initial orientations) 轴变化轨迹长，而越接近<011>，取向变化率越 d-}, 多晶体塑性变形的反应应力模型。是一个统计 意义的模型[a]。它同时考虑了应力与应变的协调性。 晶体在塑性变形过程中，总要受到周围晶体对它的 约束，而不能如Sachs模型那样自由变形。在塑性 变形过程中，晶体不仅受外加拉应力，同时还要受 与周围晶体的反应应力即切应力的作用。而且反应 应力随着变形的继续，不断积累，但积累的各个反 万方数据 塑性工程学报 第 14卷 应应力分量最大值为材料的剪切屈服强度，即要小 于等于钢板的屈服强度的1/2。反应应力模型模拟 计算的晶体的拉伸轴的演变规律如图4所示，模拟 拉伸应变量为10% (e,=0.0953)，应变步长为Ae, =0. 0001, 111 114产 二一 一、、吸 图4 反应应力模型的品体拉伸轴的演变反极图 (圆圈为初始取向) Fig. 4 Inverse pole figure of tensile directions of Reaction stresses tr,4P1 (the circles are initial orientations) 从图4可知，反应应力模型的BBC结构的晶体 单向拉伸变化，并没有唯一的稳定取向。由于原始 取向的不同，因而取向的变化趋势也不相同。 利用实测的钢板的织构信息，可叉乘出取向空 间93616」个特征取向的取向密度f (g1) (i=1, 2, 3,·，936)。在模拟变形的计算过程中，当确定了 936个取向中g‘晶粒的任一滑移系开动时，即可计 算出相应的两个垂直于拉伸方向的正应变E2j(9、) 和e3j (gi) (7=1, 2, 3,⋯，。，/&)，E3j (g)表 示铝板法向的正应变，E2j (gi)表示正应变的方向 同时垂直于铝板法向和拉伸方向的正应变。由此可 以计算出拉伸方向与轧向任意角度的塑性应变比; 值为 936 勺/b, LJ f(90又 E2j (g) r(9)= i=1 i=1936 9i}, (1) 艺f(gi)EE3,(gi) i---1 少-1 由式 (1)，可模拟计算Sachs模型和反应应力 模型，在拉伸应变量为10%时钢板的任意角度的r 值。计算结果表示在图2中。由图2可看出，利用 B板的织构计算的Sachs模型的计算值与实测值有 很好的符合性，其他计算值与实测值则有较大的误 差。 3 讨 论 由图2可知，不同模型计算的r值对织构都很 敏感。A和B具有不同的织构，它们计算的r值明 显不同。而两组实测的r值并没有太大的变化，这 说明板材的实际r值不仅受织构的影响，还受其他 许多因素的作用，如晶粒度、板材的厚度、荷载条 件及冶金条件等。正是这些因素使得:值对织构的 敏感性降低。因而，简单地只从织构方面计算钢板 的塑性应变比，不够全面，也不合理。对于在线检 测钢板的r值，还要以织构为重点，同时考虑其他 因素的综合作用。如采用铝板的r值快速检测的织 构组分回归分析法，就比较可靠和准确[s7 对比图2a和图2b，发现Sachs模型比反应应力 模型更接近实测值。尤其是以B板的织构和Sachs 模型计算的r值与实测值有很好的符合性.而基于 A板的计算值与实测值误差较大 (见图2b)。反应 应力模型计算的A和B的r值与实测值误差更大。 这表明，在单向拉伸时，尤其是在测量r值的较小 拉伸应变量情况下，基于Sachs模型比反应应力模 型更准确。可能的原因是，小应变量单向拉伸情况 下，晶粒之间的反应应力积累还不足以影响到晶粒 的滑移系的改变，因而此时的晶粒的拉伸变形行为 更接近于Sachs模型，而不是反应应力模型。 当然，强的{111)面织构对提高板材的r值是有 利的。由图1可看出，B板的{111)面织构比A板 的{111)面织构弱，但计算的r值却比A板的高 (见图2)。这是因为B中含有的{001) <110>旋转 立方织构比A的要弱的多 (见图1)，而{001}面织 构强烈影响板材的r值，并使r值下降[77。另一方 面，对于{001) <01l>和{112)<110>织构，其初 始r值在与轧向成。。和90“时有极小值，而在45。时 有极大值[[a7。因而，基于含有强的{001) <01 1>和 (112)<110>织构的A板织构计算的Sachs模型的 r值，在45。有最高值，而在00和900时有极小值; 而B中这两种织构组分很弱，故其计算值没有这种 变化趋势 (见图26)。这也说明，要提高板材的， 值，并减少r值的起伏，必须在增强{111}面织构的 同时，降低{001)面织构和控制{1121<110>织构组 分的含量口 总的说，除了B板在Sachs模型的计算值与实测 值有很好的符合性外，其他模型及织构的计算值与实 测值有较大的误差。造成误差的原因还可能是参与 位错滑移的滑移系虽然主要是12个{011)<111>1 但是,12个{112)<11l>和24个{123)<11l>滑移 系也有可能参与变形过程[191。由于3个滑移面 (011),{112}和{123}上位错滑移的临界分切应力不 万方数据 第4期 马全仓等:深冲钢板的织构及塑性应变比;值的模型计算 同，而且各自的临界分切应力还受钢板的化学成分、 晶粒度、板材状态、温度等诸多因素的影响。因此， 综合考虑BCC结构的48个位错系的变形过程，是 一个比较复杂的工作。细致的研究还要根据不同条 件下，各自滑移面的临界分切应力的不同，考虑所 有滑移系互相竞争开动来计算板材拉伸变形时的r 值。 [2〕 [31 [4] 4 结 论 ， ? ??? ? ，? ?? ? ? ? ? ? ， ? ? ? ? ? ? ﹂ ?? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 深冲钢板的r值主要受板材织构的影响，同时 还受其他因素的作用。其他非织构因素的作用降低 了r值对织构的敏感性。要提高钢板的深冲性，即 要获得板材高且波动小的r值，在提高钢板{111)面 织构的同时，还要降低{001}面织构和控制{112) <110>织构组分的含量。在较小应变量的单向拉伸 变形时，此时晶体之间的反应应力积累还不足以明 显影响位错滑移系的改变，而使晶体的拉伸变形行 为更接近于Sachs模型。基于Sachs模型计算的板 材r值，比反应应力模型的计算值更接近实测值。 参考文献 [1〕 Kopineck H J. Inspection and Control by Otrline Tex- ture Measurement [J]. Mater. Sci. Forum, 1994. 157^- 162.1929 1940 Bunge H J. Technological Applications of Texture A- nalysis [J7. Z. Metallkde,1985.76(7):457-469 MA Quan-cang,MAO Wei-min,FENG Hui-ping,et al. Rapid Texture Measurement of Cold Roll曰Aluntinum Sheet by X-Ray Diffraction [J]. Scripts Materialia, 2006.54(11):1901^ -1905 MAO Wei-min, YU Yong-ring. Effect of Elastic Reac- tion Stress on Plastic Behaviors of Grains in Polycrys- Wine Aggregate during Tensile Deformation [J]. Ma- terials Science and Engineering A,2004. 367,277^-281 ZHU G, MAO W, YU丫Calculation of Misorientation Distribution between Recrystallization Brains and De- formed Matrix[J]. Scripts Mater. ,2000. 42,37^-41 毛卫民，马全仓，冯惠平，等.冲压铝板塑性应变比r值 的在线检测技术口」.中国有色金属学报，2006 Ray R K.Jonas J J, Hook R E Cold Rolling and An- nealing Textures in Low Carbon and Extra Low Carbon Steels [J]. Inter. Mater. Rev. ,1994.39 (4):129^-142. 马全仓，毛卫民，冯惠平 3104深冲铝板织构对初始R 值的影响[J7.北京科技大学学报.2004. 26(l):78- 81. Raabe D Simulation of Rolling Textures of Bcc Metals Considering Grain Interactions and Crystallographic Slip on {110},1112) and (123) Planes仁1]. Mater. Sci. Eng. ,1995. A197,21-37 Texture and modeling calculation of r values of deep drawing steel sheet (School of Materials MA伽an-cang MAO Wei-min FENG Hui-ping Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100053 China) WANG Li DU Lei (Baosteel Technology Center, Shanghai 201900 China) The textures and r values in directions of 00, 150, 300, 450, 600, 750, 900 to rolling direction of IF steel sheet were The tensile direction evolution according to Sachs model and Reaction stresses model were calculated based on 12 slip- ping systems (011) Cllr . R values of different angles from rolling direction were calculated according to the two models and the textures of the sheet. The results of measured and calculated r values of IF steel sheet were compared with each other, and the rnAa+ns of deviation were discussed. Key words; deep drawing steel sheet; texture; plastic deformation model; r value 万方数据