分析杯型冲压件再结晶退火后杯底圆弧侧晶粒异常 粗大的原因，设计合理的工艺方法避免此情况【摘要】研究分析了杯型冲压件杯底经过再结晶退火后导致晶粒异常粗大的各种因素，并制定了相关的热处理工艺来减轻或者消除这种缺陷关键词：冲压件 临界变形度 退火再结晶 晶粒异常1、前言再结晶退火可以消除冷变形金属的加工硬化效果及内应力，所以，再结晶退火被广泛应用于于金属冷变形加工的中间工序所谓再结晶退火工艺，一般是将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间后，缓慢冷却至室温的过程其目的是软化冷变形金属（中间退火），或冷变形后细化晶粒，改善显微组织（最终退火）特别是那些不能用于固态相变来进行热处理的材料，可以采用形变——再结晶工艺提高材料的力学性能然而冲压件在再结晶退火以后会因为多种因素（尤其是临界变形度）的影响而导致晶粒异常粗大，最终导致材料的机械性能发生本质的变化，严重影响材料的正常使用,因此要制定相关的热处理工艺消除此种缺陷2、实验过程为了探讨晶粒异常粗大的因素，特选取 LD2 铝合金进行轧制加工及其热处理在轧制薄板带中，发现经过不同道次及变形率加工后合金的板带材对热处理后合金的力学性能影响很大。
塑性变形存在一个临界变性区域，此临界变形区域的范围比一般铝合金的要大很多，当轧制变形处于临界变形范围时，经过退火后，该合金的塑性会急剧下降，主要研究塑性变形和热处理以及合金元素等方面对合金晶粒大小的影响，并提出了解决办法表 1 是给出的材料 LD2 铝合金板带材室温下的力学性能，以下就用此种材料来探究变形度对晶粒的影响2.1 试样制备按照表 2 所示的化学成分配制 LD2 铝合金试样将配制的铝合金在天然气炉中熔化，采用半连续铸造的方式铸成扁锭经过均匀化处理后，铣面、热轧、冷轧和退火再结晶热处理等工序加工，取得厚度为 1.0mm 的 M 状态的板材退火热处理采用 420℃×2h 出炉空冷，其力学性能均满足表 1 的各项性能指标2.2 变形参数设定研究临界变形对合金性能的影响，同时也确定临界变形范围对 1.0mmLD2 铝合金板材，按表 3 变形加工率进行塑性变形为了确定临界变形对合金性能的影响，选取了相同的退火热处理制度，包括中间退火热处理（均采用 420℃×2h 出炉空冷），最终获得厚度为 0.4mm的 M 状态板材试样2.3 热处理参数合金热处理参数，包括热处理温度、保温时间、加热方式以及冷却方式等方面。
热处理对合金性能影响很大当加热温度较低时，即在再结晶晶粒形成之前，合金内部由于塑性变形产生的位错，从高能态的混乱排序，向低能态的规则排序方向移动，发生多变化过程（回复阶段），对合金的硬度、强度以及塑性影响不大而随着加热温度的升高，其硬度、强度显著降低，而其塑性却明显提高因此选取高温退火热处理参数，来观测其对合金性能的影响3、实验结果3.1 微观组织对实验合金，我们选取了不同的变形程度和不同热处理参数，进行了微观组织金相分析分析研究表明，塑性变形程度较小，热处理温度较高的试样，晶粒相对粗大相反，塑性变形程度较大，热处理温度相同的试样，晶粒相对细小，见图 1、2、3、4、5.3、2 结果分析1)再结晶组织的基本知识再结晶退火过程中，回复、再结晶及长大往往是交错、重叠进行，退火后的组织也是这些过程综合作用的结果，有时还会产生退火孪晶和再结晶织构A）再结晶图 不同的冷变形度及退火温度下得到的再结晶组织晶粒大小不同通常将退火温度、冷变形度对再结晶晶粒大小的影响用三维图表示，称之为再结晶图它可以作为制定生产工艺规范参数的参考依据不同金属的再结晶图是不同的，下图是工业纯铝的再结晶图铝合金的再结晶图铝合金的再结晶图在上图中，存在两个粗晶区：一是临界变形区域下经高温退火热处理后出现的粗大晶粒区；另一个是再结晶区域。
后者对应的变形度较大，退火温度也较高这是因为，强烈冷变形导致退火过程中形成强烈的再结晶织构，阻碍了晶粒的正常长大，仅有少数具有大角度晶界的晶粒优先生长，从而产生二次再结晶因此，对于一般的结构材料，制定变形及退火工艺时要避开这两个区域B）变形程度对再结晶晶粒大小的影响下图表示冷变形程度对不同锰含量铝合金再结晶后晶粒大小的影响由图可见，当变形程度很小时，经过退火热处理，合金只发生多边化的过程，原始晶粒只需做短距离迁移，就足以消除应变的不均匀性，不发生晶粒再结晶，故晶粒度不改变；当金属处于临界变形区域时，发生再结晶，且再结晶晶粒粗大；当变形程度大于临界变形区域时，则晶粒逐渐细化；变形程度越大，晶粒越细小冷变形程度对铝合金晶粒大小的影响冷变形程度对铝合金晶粒大小的影响再结晶晶粒的大小可以由下式表达：d=K ∜(V/N)式中 d—再结晶晶粒平均直径V—晶核长大速率N—形核率K—比例常数想要获得比较细的再结晶晶粒，必须减小 V/N 的比值下图给出了变形度对晶粒大小的影响曲线当变形程度超过临界变形时，合金内部的储存能也增大，再结晶形核率 N 和其生长速率 V 也都在增加；但由于 N 的增大速率大于 V 的增长速率，因此 V/N 的比值随变形程度的增加而减小，从而获得较细晶粒。
在临界变形区域，由于 N 增加很小，而 V 却增加很大，因而 V/N 的比值也将很大，因此，晶粒将显著粗化冷变形金属在初次再结晶刚完成时，晶粒是比较细小的如果继续保温或提高加热温度，晶粒将逐渐长大，这种长大是大多数晶粒几乎同时长大的过程除了这种正常的晶粒长大以外，如将再结晶完成后的金属继续加热超过某一温度，则会有少数几个晶粒突然长大，他们的尺寸可能达到几个厘米，而其他的晶粒仍保持细小最后，小晶粒被大晶粒吞并，整个金属中的晶粒都变得十分粗大这种晶粒长大叫做异常晶粒长大或者二次再结晶二次再结晶中少数晶粒可以迅速长大的主要原因在于组织中存在使大多数晶粒边界比较稳定或被钉扎而只有少数晶粒边界易偏移的因素，主要有以下几种情况：a.再结晶完成后组织中存在细小、弥散的第二相粒子，由于这些粒子对晶界的钉扎作用，在一定的退火温度下，晶粒长大到一定尺寸便难以继续长大，如图所示的 MnS 对境界的钉扎作用但是，如果第二相粒子在个别晶粒边上分布较少，或由于温度较高使得局部区域的第二相粒子溶解，使个别晶界在长大过程中不受钉扎或钉扎约束力很小，则这些晶界的可动性高于其他大部分晶界，此处的晶粒能迅速长大如图给出的 Fe-Si合金在退火温度升高时，只发生正常晶粒长大；当含有 MnS 颗粒的合金在加热时有的晶粒迅速粗化。
从曲线 2 可以看出，二次再结晶晶粒是在约 930℃突然长大的，这是由于此温度下 MnS 颗粒溶解，晶界迁移的障碍消失，能迅速迁移的结果在高于 930℃的温度加热时，晶粒尺寸反而有所下降是因为二次再结晶晶粒的数量增多，先长大的尺寸虽大，后长大的尺寸却较小，平均尺寸反而下降曲线 3 是在二次再结晶保持细小的晶粒的长大特性，可以看到它和高纯材料中的晶粒正常长大相似，由于 MnS 颗粒的拖曳作用，它的长大发生在较高温度b.一次再结晶后若形成再结晶织构，则组织中大部分晶粒位相差相近，均为小角度晶界，迁移率较小，比较稳定，仅有少数大角度晶界有较高的迁移率，此处晶粒能迅速长大c.若金属为薄板，则在一定的加热温度下，会出现热蚀沟，它能钉扎晶界若大部分晶界被热蚀沟钉扎，只有少数晶粒边界可迁移，便易发生二次再结晶d.一次再结晶后组织由于某些原因产生了局部不均匀现象，而存在个别尺寸很大的初始晶粒，其晶界迁移率高于其他境界，就会迅速长大4、合适的热处理工艺避免此情况1）、在有精密仪表监控状态下，均匀化退火采用（560±5）℃×8h 或（560±5）℃×2h 的水冷工艺制度，可获得均匀组织进行 1～2 次的中间退火，最后进行成品退火。
2）、可采用延长加热时间，提高热温度的方法替代均匀化处理，但温度必须控制严格，加热温度 530～560℃加热时间 8h 以上，出炉时快速降至挤压温度才会达到均匀化效果5、实验结论对于杯型冲压件杯底的退火再结晶组织，其晶粒异常粗大的原因主要是变形度的影响和二次再结晶的过程中的各种因素造成的因此要想消除此种缺陷，就要避开变形度中的临界变形区域经高温退火热处理后异常长大区和再结晶区域，如果出现了此种缺陷，则采用中间退火 1～2 次加成品退火并控制退火温度为（560±5）℃×8h 或（560±5）℃×2h还可以用延长加热时间，提高热温度的方法替代均匀化处理，但温度必须控制严格，加热温度 530～560℃加热时间 8h 以上，出炉时快速降至挤压温度的方法参考文献：【1】刘智恩 《材料科学基础》 西北工业大学出版社 第 3 版 2007 年版【2】王祝堂 田荣璋 《铝合金及其加工手册》 中南大学出版社 1989 版【3】胡德林 《金属学原理》 西北工业大学出版社 1987 版【4】沈承金，王晓红等.材料热处理与表面工程[M] 徐州 中国矿业大学出版社 2011【5】刘永刚，李显等.焊接后去应力退火的机理及应用[J] 西安 机械工人 2009【6】朱伏先，等．焊接异型钢管的生产现状及发展前景[J] 焊管，1989【7】 刘向东，高丽华．影响冷弯型钢弯曲应力因素综合分析[J]．江南学院学报 1999【8】何宣桂、雷廷权等．华束冶盒学院学报[J] 1995【9】胡赓祥 《材料科学基础》 上海交通大学出版社 2000 版。