董學光，高作文，王立娟，谷寧杰，李書磊，蘇玉龍，高 崇

(1.中鋁材料應用研究院有限公司，北京 100028； 2.中鋁瑞閩股份有限公司，福州 福建 350015)

鋁合金材料具有比強度高、抗腐蝕等顯著優(yōu)勢，在汽車領域的應用越來越廣泛。近年來大量的研究聚焦于全鋁汽車發(fā)展領域，所以鋁合金各類性能尤其是成形性能迅速成為研究的熱點[1]。鋁合金成形性能與多種因素有關，例如合金成分、鋁基體的固溶度、晶粒尺寸、晶粒形狀、晶粒取向分布等。在鋁合金薄板中，晶粒取向分布與成形性能密切關聯(lián)。由于檢測技術的提高，利用EBSD法和XRD法研究晶粒取向分布的報道越來越多。不合理的織構組成容易導致材料出現(xiàn)較強的制耳率，不利于材料使用效率的提高。某些特殊應用需要其具有特殊的織構組成和分布，例如用于制備電池的鋁箔需要具有高的立方織構以提高儲電性能。通過特定的工藝手段獲得想要的織構組成和分布狀態(tài)顯得尤為重要，這需要對材料晶粒取向在塑性變形過程中的演化機制有深入了解。為解決由塑性變形造成的板材漆刷線問題，吳沛東等[2]建立塑性變形的本構方程，對6061鋁合金板材塑性變形過程中織構的演化狀態(tài)進行模擬，取得了很大成功。為提高焊接性能，對7050鋁合金板材的研究發(fā)現(xiàn)其塑性變形時存在的各向異性主要是由生產過程中形成的黃銅織構所致[3]。有相關報道認為鋁合金中的某些斷裂機制與平面塑性變形和晶粒取向有密切關聯(lián)[4]。在實際生產中，不同的軋制工藝對鋁合金薄板組織和塑性各向異性均有影響[5]。在利用X射線衍射法測試鋁合金宏觀織構時，由于試樣放置等問題使得同一批次的試樣并不能獲得較好的測試重復性。原位測試法克服了這一問題，其計算的織構百分比含量可精確到小數點第二位，并具有較高的可重復性。目前，有大量[6-7]關于利用EBSD原位測試手段從單個晶粒出發(fā)研究鋁合金在塑性變形過程中織構的演化以及晶粒之間取向關系的報道；但利用原位拉伸XRD手段來研究鋁合金材料中織構演化的相關問題仍未見報道。XRD宏觀織構與EBSD微觀織構相比，統(tǒng)計量高出4～6個數量級，具有更強的統(tǒng)計意義，數據可靠性強。為此，利用XRD原位拉伸試驗裝置對8014鋁合金進行原位拉伸XRD試驗，獲得試樣不同的應變并對相應應變下試樣的宏觀織構和晶格常數進行分析，研究鋁合金典型織構在不同應變下的演化規(guī)律，為塑性變形理論、板材生產加工、后期服役失效分析等提供可靠的試驗數據。

1 試樣制備與測試方法

試驗用材為商用高表面質量的8014鋁合金板，表面具有較高的反射率，可用于車內飾、化妝品包裝等領域，板材冷軋成形后未做任何處理，厚度為0.5 mm。試樣尺寸如圖1a所示，平行段長度為15 mm，寬15 mm，平行段區(qū)域為X射線照射區(qū)域。原位拉伸裝置如圖1b。拉伸速率2 μm/s，拉伸方向如箭頭所示。為確保試樣在不同應變下有相同的X射線輻照面積，利用銅箔進行遮擋。為獲得試樣應力應變曲線為原位拉伸試驗提供試樣伸長率等基本參數，首先利用日本島津100 kN電子拉伸試驗機對8014鋁合金板進行拉伸試驗。然后在相同板材上制備兩個試樣進行原位拉伸和XRD試驗，試樣A：沿軋制方向拉伸；試樣B：垂直軋制方向拉伸。XRD測試儀型號：帕納科銳影，X射線源為銅靶，入射和衍射光路中索拉狹縫0.04 rad，織構測試光斑尺寸2 mm×2 mm，正交準直器0.27°。試樣試驗數據通過無織構標準鋁合金試樣進行散焦校正。

圖1 拉伸試樣尺寸圖和原位拉伸裝置

原位拉伸與XRD宏觀織構、物相測試交替進行。首先通過加載系統(tǒng)對原位拉伸裝置進行加載，試樣獲得一定應變后把原位拉伸裝置從加載系統(tǒng)上取下，然后放置于衍射儀三軸試樣臺進行織構和物相測試，測完后進行下一步拉伸，該過程反復進行，直至試樣斷裂。利用Labotex軟件對織構數據進行晶粒取向分布計算，歐拉角的允許容差范圍分別為：φ1=±15°，Φ=±15°，φ2=±15°，計算原理采用ADC法[8-10]，利用體式顯微鏡獲取試樣A、B出現(xiàn)斷口時的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 100 kN電子拉伸試驗

圖2為試樣沿軋向拉伸和垂直試樣軋向拉伸的電子拉伸試驗數據。

圖2 8014鋁合金軋板電子拉伸試驗應力應變曲線

由圖2可得，沿軋向拉伸的試樣伸長率較大，約為45%；沿垂直軋向拉伸的試樣伸長率較小，約為35%。

2.2 體式顯微鏡形貌

圖3為原位拉伸試樣出現(xiàn)裂痕時體式顯微鏡形貌圖。在試樣A中，表面出現(xiàn)了與拉力方向呈45°的條紋，該條紋為鋁合金板材拉伸過程中出現(xiàn)的呂德斯帶，此方向切應力最大，切應力超過屈服極限滑移體系開動，產生塑性變形。

圖3 試樣A,B不同應變宏觀形貌圖

從試樣B的宏觀形貌圖可以看出，條紋與拉伸方向垂直，試樣在最深條紋端部斷裂，未出現(xiàn)典型的呂德斯帶，通過后續(xù)試驗可推斷該斷裂模式是軋制條紋和晶粒取向變化共同作用的結果。

2.3 XRD極圖

圖4為試樣A中不同應變下晶面(111)的XRD極圖，RD為軋向，TD為橫向。從圖4可知，不同應變下等高線分布狀態(tài)和強度未發(fā)生顯著變化，表明各織構晶粒取向在拉力作用下較為穩(wěn)定，晶界起到釘扎作用，伸長量主要由晶粒內平面滑移[11]提供。

圖4 試樣A不同應變的(111)晶面XRD極圖

圖5為試樣B不同應變(111)晶面的XRD極圖。從圖5可知，隨著應變增加，(111)晶面織構強度等高線分布發(fā)生明顯變化，典型的冷軋態(tài)啞鈴型強度分布逐漸消失，表明晶粒在拉力作用下開始轉動，這導致織構組分和含量會發(fā)生顯著變化。該變化使晶粒邊界位錯和晶格畸變增加(可通過XRD物相衍射峰強度變化得到證實)。

圖5 試樣B不同應變的極圖

一般來說，鋁合金材料具有高層錯能[12]，在鋁合金軋板中，常見的織構有六種：Cube織構{001}<100>、高斯織構{011}<100>、銅織構{112}<111>、黃銅織構{011}<211>、R織構{124}<211>、S織構{123}<634>。其中S織構與R織構取向接近，R織構為S織構的退火再結晶織構，所以本文作者將不對R織構進行統(tǒng)計。為研究織構在不同應變下的演化規(guī)律，對試樣A、B在不同應變下織構含量百分比進行了統(tǒng)計，如圖6、圖7所示。

由圖6可見，在試樣A中，不同的應變狀態(tài)未引起典型織構含量的顯著變化。從呂德斯帶的出現(xiàn)可知晶粒內滑移體系開動，出現(xiàn)不均勻變形[13]，導致試樣表面粗糙度增加。

圖6 試樣A不同應變下典型織構百分含量

由圖7可見，在試樣B中，隨著應變的增加黃銅織構增強，而S織構和銅織構減弱，立方織構和高斯織構未發(fā)生顯著變化。在鋁合金軋制板材中，晶粒沿軋向帶狀分布。試驗表明在帶狀晶粒中，變形方向平行于帶狀晶粒短軸時，黃銅織構、銅織構和S織構起主導作用，這三類織構晶粒協(xié)同轉動以抵抗材料塑性變形。

圖7 試樣B不同應變下典型織構百分含量

同一板材制備的試樣A、B中不同的織構變化規(guī)律表明，塑性變形機制與晶粒形狀、分布狀態(tài)和變形方向密切相關。

2.4 XRD物相與晶格常數

晶?；企w系開動和晶粒取向變化均與晶格常數密切關聯(lián)。為研究晶格常數在試樣A、B塑性變形過程中的作用，從原子尺度解析塑性變形機制問題，對兩試樣不同應變下織構測試的同時，進行物相(422)衍射峰峰位和強度測試，并計算晶格常數值，結果如圖8所示。

圖8 試樣A、B應變與晶格常數的關系

由XRD獲取物相數據的幾何關系可知，晶格常數在拉力作用下平行軋面的晶面間距減小，晶格常數變小。從圖8可以看出，在相同應變下試樣A的晶格變化量較大，表明晶粒在滑移過程中位錯增加，增大了滑移阻力，導致晶格常數變化較大；而在試樣B中，通過晶格常數變化所帶來的補償量相對較小,即對塑性變形的貢獻量較小，部分塑性變形通過晶粒取向變化補償。晶粒取向的變化會在晶粒邊界和內部產生大量位錯，部分衍射晶胞的完整性遭到破壞，導致X射線衍射量減少，所以在試樣B中衍射強度會相對較弱，這可從圖9、10相同應變下衍射峰的強度得到證實。

圖9 試樣A不同應變下(422)晶面XRD衍射峰

圖10 試樣B不同應變下(422)晶面XRD衍射峰

3 結 論

為研究織構的演化規(guī)律，本文作者對商用8014鋁合金軋板進行了原位拉伸X射線織構和物相分析，利用體式顯微鏡觀察其宏觀形貌變化，結果表明：

1)沿軋制方向拉伸時，塑性變形主要以晶粒內滑移系開動為主，并產生沿軋向約45°的呂德斯帶；垂直于軋向拉伸時，塑性變形主要以晶粒取向變化為主。8014鋁合金板材中由于晶粒呈長條狀導致材料塑性變形的機理與拉伸方向密切相關。

2)沿軋制方向拉伸時，隨著應變的增加，織構的分布及其含量均未發(fā)生顯著變化，表面粗化形成呂德斯帶，塑性變形主要以滑移系開動為主，晶粒取向分布較為穩(wěn)定；垂直軋制方向拉伸時，隨著應變的增加，黃銅織構增強而S織構和銅織構減弱，表面粗化，垂直于拉伸方向的軋痕逐漸增強，塑性變形中相當一部分是由晶粒取向變化貢獻的。

3)沿軋制方向拉伸時，由滑移系開動引起的塑性變形對衍射晶胞的破壞性較小，滑移位錯增加引起滑移阻力增加，導致晶格常數變化較大。