低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因

利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)技术,针对SPCD冷轧板冲压制品中的桔皮缺陷的成因进行分析,探讨了晶粒取向可能对桔皮产生的影响.结果表明:铁素体晶粒过度粗大是导致冲压件表面产生桔皮缺陷的根源;{111}织构强度较弱和较大冲压量是加剧桔皮产生的两个因素.桔皮自由表面由平缓区和粗糙区组成,两个区域均显现以{112}〈110〉与{111}〈110〉为主导的取向特征,表明表面形貌与晶粒取向的对应性不显著,表面接触状况不同是造成这种形貌差异的主要原因.

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D0I:10.13374/i.i8sm1001t063.2010.06.006 第32卷第5期北京科技大学学报 Vol 32 No 5 2010年5月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing May 2010 低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因李萧)杨平)林瑞民)刘西峰)陈冷) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)唐山建龙实业有限公司，遵化064200 摘要利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD技术，针对SPCD冷轧板冲压制品中的桔皮缺陷的成因进行分析，探讨了晶粒取向可能对桔皮产生的影响，结果表明：铁素体晶粒过度粗大是导致冲压件表面产生桔皮缺陷的根源：111织构强度较弱和较大冲压量是加剧桔皮产生的两个因素.桔皮自由表面由平缓区和粗糙区组成，两个区域均显现以{112}(110与{111}(110为主导的取向特征，表明表面形貌与晶粒取向的对应性不显著，表面接触状况不同是造成这种形貌差异的主要原因关键词低碳钢；冲压钢板：缺陷；形成机理：取向分类号TG386.4 Fom ation m echanisn of orange peel defects in low carbon deep draw ing steel sheets LI Xiao),YANG Ping,LN Ruim in,LIU Xi-feng?,CHEN Leng) 1)School ofMaterials Science and Engineering University of Seience and Technolgy Beijing Beijing 100083 China 2)Tangshan Jianlong Industral Comporation Lm ited Zunhua 064200 China ABSTRACT Tak ing batch annealed SPCD steel sheets as an example orange peel defects in the surface of sheet stamping concem- ing with their fomation mechan is and dependence on grain orientation were investigated by means of SEM.XRD and electron back- scatter diffraction (EBSD)techniques The results show that the orange peel defects are resulted from excessively coarse ferrite grains whereas weak favorable (111)texture and a larger stamping vale m ight be the key factors aggravating the fomation of orange peel de- fects D ifferent morhologies featured by sooth and rough zones on the free surface of orange peel do not show remarkable dependence on grain orientation and both display orientation feature w ith domn inant (112110 and (111110 textures The surface contact condition plays an i portant mole in the surface morphology KEY W ORDS low carbon steel deep draw ing sheets defects fomation mechanisn:orientation 低碳冲压钢板(O8AI/SPCC/SPCD/SPCE系列) 量，重则导致性能恶化·随着分析测量技术的不断广泛用于汽车、摩托车、仪表仪器、家电等的外壳和发展，很多学者对该现象进行了多方面的研究- 内部冲压零件，其成型性能的优劣直接影响钢板生例如，采用扫描隧道显微术、扫描力显微术、X射线产和加工使用质量，饼形”晶粒、强{11织构、高r断层成像术对桔皮的三维微观形貌进行表征山：采值（塑性各向异性应变比）和低△值（塑性应变比用取向成像(orien tation mapping)、原子力显微镜和平面各向异性度)则是这类钢具备良好成型性能的轮廓测定法研究了原位拉伸过程中表面织构与粗糙重要特征，在冲压加工成型过程中，常常由于弹性度的关系[]：利用千涉显微镜和OM观察了晶粒取变形回复和塑性变形不均匀造成冲压工件形状和表向对铝合金表面桔皮的影响：利用电子背散射衍面缺陷（如制耳、桔皮），甚至破断报废射(EBD技术揭示了晶粒取向与桔皮表面形貌的桔皮”又称表面粗糙，轻则影响制品表观质关系[，本文以SPCD冷轧板为例，利用SEM、XRD 收稿日期：2009-06-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。50771019) 作者简介：李萧(1980)，女，博士研究生：杨平(1959)，男，教授，博士生导师，Email yangr@us山cdm

第 32卷第 5期 2010年 5月北京科技大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＶｏｌ．32Ｎｏ．5 Ｍａｙ2010 低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因李萧 1）杨平 1）林瑞民 2）刘西峰 2）陈冷 1） 1）北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2）唐山建龙实业有限公司遵化 064200 摘要利用扫描电镜（ＳＥＭ）、Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）和电子背散射衍射（ＥＢＳＤ）技术针对ＳＰＣＤ冷轧板冲压制品中的桔皮缺陷的成因进行分析探讨了晶粒取向可能对桔皮产生的影响．结果表明：铁素体晶粒过度粗大是导致冲压件表面产生桔皮缺陷的根源；｛111｝织构强度较弱和较大冲压量是加剧桔皮产生的两个因素．桔皮自由表面由平缓区和粗糙区组成两个区域均显现以｛112｝〈110〉与｛111｝〈110〉为主导的取向特征表明表面形貌与晶粒取向的对应性不显著表面接触状况不同是造成这种形貌差异的主要原因．关键词低碳钢；冲压钢板；缺陷；形成机理；取向分类号ＴＧ386∙4 ＦｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓｉｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｓＬＩＸｉａｏ 1）ＹＡＮＧＰｉｎｇ 1）ＬＩＮＲｕｉ-ｍｉｎ 2）ＬＩＵＸｉ-ｆｅｎｇ 2）ＣＨＥＮＬｅｎｇ 1） 1）ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2）ＴａｎｇｓｈａｎＪｉａｎｌｏｎｇＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄＺｕｎｈｕａ064200ＣｈｉｎａＡＢＳＴＲＡＣＴＴａｋｉｎｇｂａｔｃｈａｎｎｅａｌｅｄＳＰＣＤｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｓａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｈｅｅｔｓｔａｍｐｉｎｇｃｏｎｃｅｒｎ- ｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆＳＥＭＸＲＤａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂａｃｋ- ｓｃａｔｔｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＥＢＳＤ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓａｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｅｘｃｅｓｓｉｖｅｌｙｃｏａｒｓｅｆｅｒｒｉｔｅｇｒａｉｎｓｗｈｅｒｅａｓｗｅａｋｆａｖｏｒａｂｌｅ｛111｝ｔｅｘｔｕｒｅａｎｄａｌａｒｇｅｒｓｔａｍｐｉｎｇｖａｌｕｅｍｉｇｈｔｂｅｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｇｇｒａｖａｔｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅ- ｆｅｃｔｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｆｅａｔｕｒｅｄｂｙｓｍｏｏｔｈａｎｄｒｏｕｇｈｚｏｎｅｓｏｎｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｏｎｏｔｓｈｏｗｒｅｍａｒｋａｂｌｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｂｏｔｈｄｉｓｐｌａｙｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅｗｉｔｈｄｏｍｉｎａｎｔ｛112｝〈110〉ａｎｄ｛111｝〈110〉ｔｅｘｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔａｃｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．ＫＥＹＷＯＲＤＳｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ；ｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｓｈｅｅｔｓ；ｄｅｆｅｃｔｓ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ收稿日期：2009--06--03 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．50771019）作者简介：李萧（1980— ）女博士研究生；杨平（1959— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｙａｎｇｐ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ低碳冲压钢板（08Ａｌ／ＳＰＣＣ／ＳＰＣＤ／ＳＰＣＥ系列）广泛用于汽车、摩托车、仪表仪器、家电等的外壳和内部冲压零件其成型性能的优劣直接影响钢板生产和加工使用质量“饼形 ”晶粒、强｛111｝织构、高ｒ值（塑性各向异性应变比）和低 Δｒ值（塑性应变比平面各向异性度）则是这类钢具备良好成型性能的重要特征．在冲压加工成型过程中常常由于弹性变形回复和塑性变形不均匀造成冲压工件形状和表面缺陷（如制耳、桔皮）甚至破断报废． “桔皮 ”又称表面粗糙轻则影响制品表观质量重则导致性能恶化．随着分析测量技术的不断发展很多学者对该现象进行了多方面的研究［1--7］．例如采用扫描隧道显微术、扫描力显微术、Ｘ射线断层成像术对桔皮的三维微观形貌进行表征［1］；采用取向成像（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍａｐｐｉｎｇ）、原子力显微镜和轮廓测定法研究了原位拉伸过程中表面织构与粗糙度的关系［2］；利用干涉显微镜和ＯＩＭ观察了晶粒取向对铝合金表面桔皮的影响［3］；利用电子背散射衍射（ＥＢＳＤ）技术揭示了晶粒取向与桔皮表面形貌的关系［4］．本文以ＳＰＣＤ冷轧板为例利用ＳＥＭ、ＸＲＤ DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．05．005

,590 北京科技大学学报第32卷和EBSD技术，针对冲压制品中的桔皮缺陷的成因表1实验用SPCD钢化学成分（质量分数）进行分析，并探讨了晶粒取向可能对桔皮产生的影 TablI Chen ical canposition of experinen tal SPCD steel 响 si Mn 0.04 0.010.180.0100.0160.0300.0029 1实验材料和方法 SPCD系列冷轧薄板的化学成分如表1所示， 2实验结果经罩式炉退火，利用Leica-2100型光学金相显微镜将退火钢板冲压成食品罐，发现成型后桔皮状和LE01450型扫描电镜观察样品的显微组织形纹络贯穿工件的边沿（图1(b)中箭头所指）和侧壁貌；利用SIEMENS D5OO0X射线衍射仪测量样品表的整个区域，引发带状粗糙表面，如图1所示.在扫层的{110}、{200和{112不完整极图，并由此计算描电镜下观察（图2），桔皮状缺陷沿钢板冲压方向取向分布函数(ODF):利用ZE ISS SUPRA55型扫描呈之字形台阶相连，明暗区域相间分布，桔皮表面组电镜上配备的HKL公司Channel5系统进行电子背织呈两种不同的形貌：一是平缓区，即图中发暗的区散射衍射(EBSD)微区取向的测量，并利用Channel 域，表面较为平滑；二是粗糙区，即图中发亮的区域， 5软件进行数据处理.桔皮缺陷样品经离子轰击以形变较为强烈，表面凹凸不平，存在大量因变形而弯曲除去表面的氧化层和残余应力· 的滑移带.这反映两区与模具的接触情况有所不同国 095 mm 图1桔皮冲压件的宏观形貌.(a)整体形貌：(b)杯壁局部形貌 Fig 1 Macmmomhobgies of the whole (a)and the local (b)stmpng with orange peel defects (b) 粗糙区平缓区 200um 2001 图2桔皮冲压件微观SM形貌.(a)低倍；(b)高倍 Fig 2 SEM m icmogmphs of the stamping with orange peel defect (a)bw magnification:(b)high magnification 图3和图4分别显示了冲压性能较好的冲压件 (沿轧制方向为3050m),二者在织构特征上并以及桔皮冲压件原始退火板的金相组织和相应的织无明显不同，均是有利的{111(110织构占主导，构(92=45°0DF图)对比可见，二者的组织均呈这是低碳钢退火板典型的织构类型，强度也比较正典型的饼状晶”.后者沿轧制方向测量的大部分晶常.略有不同的是，后者不利的{001}(110织构强粒尺寸为80~150m,明显高于前者(47m),也远度偏高，这会对钢板的成型性能造成不利的影响，远超出其他相同SPCD系列样品的晶粒尺寸范围前者的力学性能测试表明，其=1.70(n、s和的

北京科技大学学报第 32卷和ＥＢＳＤ技术针对冲压制品中的桔皮缺陷的成因进行分析并探讨了晶粒取向可能对桔皮产生的影响． 1 实验材料和方法ＳＰＣＤ系列冷轧薄板的化学成分如表 1所示．经罩式炉退火利用Ｌｅｉｃａ--2100型光学金相显微镜和ＬＥＯ--1450型扫描电镜观察样品的显微组织形貌；利用ＳＩＥＭＥＮＳＤ5000Ｘ射线衍射仪测量样品表层的｛110｝、｛200｝和｛112｝不完整极图并由此计算取向分布函数（ＯＤＦ）；利用ＺＥＩＳＳＳＵＰＲＡ55型扫描电镜上配备的ＨＫＬ公司Ｃｈａｎｎｅｌ5系统进行电子背散射衍射（ＥＢＳＤ）微区取向的测量并利用Ｃｈａｎｎｅｌ 5软件进行数据处理．桔皮缺陷样品经离子轰击以除去表面的氧化层和残余应力．表 1 实验用ＳＰＣＤ钢化学成分（质量分数）Ｔａｂｌｅ1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳＰＣＤｓｔｅｅｌ％ＣＳｉＭｎＳＰＡｌＮ 0∙04 0∙01 0∙18 0∙010 0∙016 0∙030 0∙0029 2 实验结果将退火钢板冲压成食品罐发现成型后桔皮状纹络贯穿工件的边沿（图 1（ｂ）中箭头所指）和侧壁的整个区域引发带状粗糙表面如图 1所示．在扫描电镜下观察（图 2）桔皮状缺陷沿钢板冲压方向呈之字形台阶相连明暗区域相间分布桔皮表面组织呈两种不同的形貌：一是平缓区即图中发暗的区域表面较为平滑；二是粗糙区即图中发亮的区域形变较为强烈表面凹凸不平存在大量因变形而弯曲的滑移带．这反映两区与模具的接触情况有所不同．图 1 桔皮冲压件的宏观形貌．（ａ）整体形貌；（ｂ）杯壁局部形貌Ｆｉｇ．1 Ｍａｃｒｏ-ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅ（ａ）ａｎｄｔｈｅｌｏｃａｌ（ｂ）ｓｔａｍｐｉｎｇｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ图 2 桔皮冲压件微观ＳＥＭ形貌．（ａ）低倍；（ｂ）高倍Ｆｉｇ．2 ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｔｈｅｓｔａｍｐｉｎｇｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ）ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｂ）ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ图 3和图 4分别显示了冲压性能较好的冲压件以及桔皮冲压件原始退火板的金相组织和相应的织构（φ2＝45°ＯＤＦ图）．对比可见二者的组织均呈典型的 “饼状晶 ”．后者沿轧制方向测量的大部分晶粒尺寸为 80～150μｍ明显高于前者（47μｍ）也远远超出其他相同ＳＰＣＤ系列样品的晶粒尺寸范围（沿轧制方向为 30～50μｍ）．二者在织构特征上并无明显不同均是有利的｛111｝〈110〉织构占主导这是低碳钢退火板典型的织构类型强度也比较正常．略有不同的是后者不利的｛001｝〈110〉织构强度偏高这会对钢板的成型性能造成不利的影响．前者的力学性能测试表明其ｒ＝1∙70（ｒ0、ｒ45和ｒ90的 ·590·

第 5期李萧等：低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因值分别为 1∙85、1∙35和 2∙25）冲压性能良好生产实践表明其冲压制品中也无桔皮缺陷产生．图 3 冲压性能较好的冲压件原始退火板的金相组织及宏观织构．（ａ）金相组织；（ｂ） φ2＝45°ＯＤＦ图Ｆｉｇ．3 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｃｒｏ-ｔｅｘｔｕｒｅｏｆａｐｒｉｍａｒｙａｎｎｅａｌｉｎｇｓｈｅｅｔｏｆｔｈｅｓｔａｍｐｉｎｇｗｉｔｈｇｏｏｄｄｒａｗｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙ：（ａ）ＯＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ；（ｂ） φ2＝ 45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ图 4 桔皮冲压件原始退火板的金相组织及宏观织构．（ａ）金相组织；（ｂ） φ2＝45°ＯＤＦ图Ｆｉｇ．4 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｃｒｏ-ｔｅｘｔｕｒｅｏｆａｐｒｉｍａｒｙａｎｎｅａｌｉｎｇｓｈｅｅｔｏｆｔｈｅｓｔａｍｐｉｎｇｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ）ＯＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ；（ｂ） φ2＝45° ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ图 5显示了在桔皮区截取的样品横截面的金相组织和织构．样品表面高低不平高处对应于ＳＥＭ形貌中发暗的区域即平缓区呈平滑的表面；而较低处对应于ＳＥＭ形貌中发亮的区域即粗糙区呈凹凸不平的表面．与文献［4］中描述的特征不同本文发现桔皮在微观上的凹凸不平并非是由某一类粗大晶粒的隆起而造成的平缓区和粗糙区所对应的晶粒尺寸和晶粒数量均无特定规律但其织构类型和织构强度较之原始退火板均发生了显著变化表现为｛111｝〈110〉织构强度明显减弱的同时伴随着｛112｝〈110〉织构的显著增强此外还出现了部分由不均匀变形所致的｛110｝〈112〉黄铜型剪切织构．其中｛112｝〈110〉织构是低碳钢典型的冷轧形变织构反映该工件侧壁在冲压过程中承受了强烈的变形．图 5 桔皮区样品横截面金相组织及宏观织构．（ａ）金相组织；（ｂ） φ2＝45°ＯＤＦ图Ｆｉｇ．5 Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｃｒｏ-ｔｅｘｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ）ＯＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ；（ｂ） φ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ ·591·

,592 北京科技大学学报第32卷由于多晶体形变的不均匀，不同取向晶粒内开文选取了14个视场作为分析对象，利用EBSD技术动的滑移系数量不同，滑移系开动的先后顺序不同，测量了桔皮表面平缓处和粗糙处的晶粒取向，分别形变组织也会不同，例如，文献[8在扫描电镜下观计算它们的ODF图并对相应的取向分布规律加以察到单向压缩条件下低碳钢的铁素体晶粒灰度与取比较.图6显示的是其中一个视场的散点测量结向具有密切的关系；文献[4]认为局部{100}(001少果.可见，两区对应晶粒取向存在一些差异，其中平取向的大晶粒会引起冲压件表面桔皮缺陷，而缓区晶粒取向多集中在Y取向线和{112}(110取 {112(110取向的大晶粒则不会，可见，晶粒取向向附近（图6(b)),而粗糙区晶粒取向多集中在会对材料的微观组织和表面形貌产生重要的影响， {001(110、{112(110和{110}(00)取向附近为了确定桔皮表面形貌与晶粒取向的关系，本 (图6(c)) (b) 90 00 90 945 月=45° 图6桔皮缺陷处某一视场的EBSD散点测量结果。(a)二次电子像，1~5为平缓区，6~15为粗糙区；(b)92=45°0DF图，平缓区； (c)2=45°0DF图，粗糙区 Fig 6 EBSD results of a specifie fel n a sample w ith orange peel defects (a)SEM secondary electmon m icmognaph 1 to 5-anooth zone 6 to 15- mough zone (b)2=45 section of ODF.mmooth zone (c)2=45 section of ODE mough zone 考虑到仅有一个视场的结果难以具有统计性，表面平缓区和粗糙区都没有表现出某一特定的晶粒因此将14个视场中所有平缓区和粗糙区的散点分取向，并且两区都是以{112}(110与{111}(110 类综合，得出了相应的ODF图，如图7所示.平缓取向占据主导地位，这与图5(b)所示的宏观织构具区主要显示为{112}(110取向和{111}取向，其中有较好的对应性，说明两区表面形态与取向的对应 {111取向线上{111(110占据主导：粗糙区主要关系并不显著，由于这是统计性的结果，取向分布显示为{111火110取向和{112(110取向，虽然规律不具有很强的代表性二者的取向分布规律存在微弱的差别，但可以看出， 0° b 0 90° 9-45 月45m 图7桔皮缺陷处14个视场中散点分类综合得到的0DF图(P2=45°)(a)平缓区：(b)粗糙区 Fig7 Summarized EBSD results of 14 fieks in a sample w ith ornge peel defects =45section of ODF:(a)mooth zone (b)mough zone 为进一步研究晶粒取向对桔皮的影响，利用色{112K110和银灰色{001}(110三类织构组分 EBSD对桔皮区样品的表面层区域进行微区取向的含量依次约为24.0%、58.2%和6.6%，可见{112} 测量.取向成像结果如图8所示，图8(b)中显示晶 (110和{111(110取向晶粒均占据绝大比例，与粒内部存在大量的亚晶界（用黑色细线表示），说明图5(b)所示的宏观织构特征非常相似，且从中更能板材经历了强烈的形变；其中灰色{111}(110、黑清楚地辨别平缓区和粗糙区晶粒并非分别对应某一

北京科技大学学报第 32卷由于多晶体形变的不均匀不同取向晶粒内开动的滑移系数量不同滑移系开动的先后顺序不同形变组织也会不同．例如文献［8］在扫描电镜下观察到单向压缩条件下低碳钢的铁素体晶粒灰度与取向具有密切的关系；文献［4］认为局部｛100｝〈001〉取向的大晶粒会引起冲压件表面桔皮缺陷而｛112｝〈110〉取向的大晶粒则不会．可见晶粒取向会对材料的微观组织和表面形貌产生重要的影响．为了确定桔皮表面形貌与晶粒取向的关系本文选取了 14个视场作为分析对象利用ＥＢＳＤ技术测量了桔皮表面平缓处和粗糙处的晶粒取向分别计算它们的ＯＤＦ图并对相应的取向分布规律加以比较．图 6显示的是其中一个视场的散点测量结果．可见两区对应晶粒取向存在一些差异其中平缓区晶粒取向多集中在 γ取向线和｛112｝〈110〉取向附近（图 6（ｂ））而粗糙区晶粒取向多集中在｛001｝〈110〉、｛112｝〈110〉和｛110｝〈001〉取向附近（图 6（ｃ））．图 6 桔皮缺陷处某一视场的ＥＢＳＤ散点测量结果．（ａ）二次电子像1～5为平缓区6～15为粗糙区；（ｂ） φ2＝45°ＯＤＦ图平缓区；（ｃ） φ2＝45°ＯＤＦ图粗糙区Ｆｉｇ．6 ＥＢＳＤｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｓｐｅｃｉｆｉｃｆｉｅｌｄｉｎａｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ）ＳＥＭｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ1ｔｏ5-ｓｍｏｏｔｈｚｏｎｅ6ｔｏ15- ｒｏｕｇｈｚｏｎｅ；（ｂ） φ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦｓｍｏｏｔｈｚｏｎｅ；（ｃ） φ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦｒｏｕｇｈｚｏｎｅ考虑到仅有一个视场的结果难以具有统计性因此将 14个视场中所有平缓区和粗糙区的散点分类综合得出了相应的ＯＤＦ图如图 7所示．平缓区主要显示为｛112｝〈110〉取向和｛111｝取向其中｛111｝取向线上｛111｝〈110〉占据主导；粗糙区主要显示为｛111｝〈110〉取向和｛112｝〈110〉取向．虽然二者的取向分布规律存在微弱的差别但可以看出表面平缓区和粗糙区都没有表现出某一特定的晶粒取向并且两区都是以｛112｝〈110〉与｛111｝〈110〉取向占据主导地位这与图 5（ｂ）所示的宏观织构具有较好的对应性说明两区表面形态与取向的对应关系并不显著．由于这是统计性的结果取向分布规律不具有很强的代表性．图 7 桔皮缺陷处 14个视场中散点分类综合得到的ＯＤＦ图（φ2＝45°）．（ａ）平缓区；（ｂ）粗糙区Ｆｉｇ．7 ＳｕｍｍａｒｉｚｅｄＥＢＳＤｒｅｓｕｌｔｓｏｆ14ｆｉｅｌｄｓｉｎａｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓφ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ：（ａ）ｓｍｏｏｔｈｚｏｎｅ；（ｂ）ｒｏｕｇｈｚｏｎｅ为进一步研究晶粒取向对桔皮的影响利用ＥＢＳＤ对桔皮区样品的表面层区域进行微区取向的测量．取向成像结果如图 8所示．图 8（ｂ）中显示晶粒内部存在大量的亚晶界（用黑色细线表示）说明板材经历了强烈的形变；其中灰色｛111｝〈110〉、黑色｛112｝〈110〉和银灰色｛001｝〈110〉三类织构组分含量依次约为 24∙0％、58∙2％和 6∙6％可见｛112｝〈110〉和｛111｝〈110〉取向晶粒均占据绝大比例与图 5（ｂ）所示的宏观织构特征非常相似且从中更能清楚地辨别平缓区和粗糙区晶粒并非分别对应某一 ·592·

第5期李萧等：低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因 ,593. 特定的取向，均主要显示为{112}(110与{111} 和粗糙区的晶粒均主要显示为{112(110与{111} 〈110的取向特征，这也与EBSD散点结果是吻合〈110的取向特征，表明桔皮表面形貌的取向效应的.综合以上EB$D散点和取向成像结果，平缓区并不显著 =20mI12K110>+11I+00I+GB:Step0.4m:Gm290x120 90 d 90 90 见=45 9-45° 图8桔皮区样品的EBSD取向成像结果.(a)横截面，二次电子像：(b)取向成像图：(c)P2=45°0DF图，平缓区；(d)92=45°0DF 图，粗糙区 Fig8 EBSD results of a sample with orange peel defeets (a)transverse section SEM secondary electron mage (b)orientation mapping mage (c)2=45 section of ODE mooth zone (d)2=45'section ofODF mough zone 3讨论测量结果均显示钢板经冲压后出现了大量的{112} (110取向晶粒，这一典型冷轧织构的产生说明该 (1)桔皮缺陷同晶粒尺寸具有密切的关系，文样品在冲压过程中承受了强烈的冲压变形，其表面献[9-10]的研究结果揭示了材料表面粗糙度与晶和心部的形变差异越大，形变越不均匀，加上原始退粒大小呈正比例关系，晶粒越粗大，材料表面越粗火板的粗晶组织，形变过程中各晶粒间的变形更加糙，则越容易形成桔皮缺陷，综合前面的显微组织难以协调.表达钢板冲压性能的塑性应变比值与观察，可以确定晶粒过度粗大应是导致本文中冲压钢板织构有着密切的关系，图4(b)中宏观织构显示件表面产生桔皮缺陷的根源原始退火板中有利的{111(110织构强度较弱，同多晶体形变时每一个晶粒的取向相对于力轴的时不利的{001K110织构强度较高，二者的综合效软、硬情况不同，各晶粒形变的先后以及形变量也不应必将使值降低，从而造成钢板冲压性能恶化，同，其中软取向的晶粒变形量大，硬取向的晶粒变形这两种因素势必会加剧桔皮的产生量小；而对于每个晶粒来说，变形也是不均匀的，通 (3)EBD测量结果显示，桔皮表面形貌与晶常晶粒中心区域的变形量较大，晶界及其附近区域粒取向的对应性并不显著，这与文献[8]的研究结的变形量较小，细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的果存在明显不同，这可能是文献[8]针对的是压缩应变量相差较小，有助于变形的均匀过渡和保持表样品经重新抛光浸蚀后获得的微观组织形态，认为面的平滑：反之，粗大晶粒的晶粒内部和晶界附近的取向是造成组织差异的原因，体现了不同取向晶粒应变量相差较大，晶粒之间的变形难以彼此协调，变内部亚晶界数量、滑移量和均衡性差异；而本文针对形不够均匀，因此，晶粒力学行为的各向异性，在宏的是自由表面呈现的不同组织形貌，则可能是滑移观上造成了凹凸不平的表面结构而形成“桔皮” 量差异和表面接触状况差异的共同体现，经组织观缺陷察和取向分析结果，可以判断表面接触状况的差异 (2)大的冲压量和织构特征不理想是加剧桔皮才是造成桔皮表面形貌差异的主要原因，对于平缓缺陷产生的两个重要因素.宏观织构与EBSD取向区，材料表面与模具紧密接触，模具的制约使之无法

第 5期李萧等：低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因特定的取向均主要显示为｛112｝〈110〉与｛111｝〈110〉的取向特征这也与ＥＢＳＤ散点结果是吻合的．综合以上ＥＢＳＤ散点和取向成像结果平缓区和粗糙区的晶粒均主要显示为｛112｝〈110〉与｛111｝〈110〉的取向特征表明桔皮表面形貌的取向效应并不显著．图 8 桔皮区样品的ＥＢＳＤ取向成像结果．（ａ）横截面二次电子像；（ｂ）取向成像图；（ｃ） φ2＝45°ＯＤＦ图平缓区；（ｄ） φ2＝45°ＯＤＦ图粗糙区Ｆｉｇ．8 ＥＢＳＤｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｓａｍｐｌｅｗｉｔｈｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓ：（ａ）ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｅｃｔｉｏｎＳＥＭｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｍａｇｅ；（ｂ）ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｍａｐｐｉｎｇｉｍａｇｅ；（ｃ） φ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦｓｍｏｏｔｈｚｏｎｅ；（ｄ） φ2＝45°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦｒｏｕｇｈｚｏｎｅ 3 讨论（1）桔皮缺陷同晶粒尺寸具有密切的关系．文献［9--10］的研究结果揭示了材料表面粗糙度与晶粒大小呈正比例关系晶粒越粗大材料表面越粗糙则越容易形成桔皮缺陷．综合前面的显微组织观察可以确定晶粒过度粗大应是导致本文中冲压件表面产生 “桔皮 ”缺陷的根源．多晶体形变时每一个晶粒的取向相对于力轴的软、硬情况不同各晶粒形变的先后以及形变量也不同其中软取向的晶粒变形量大硬取向的晶粒变形量小；而对于每个晶粒来说变形也是不均匀的通常晶粒中心区域的变形量较大晶界及其附近区域的变形量较小．细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的应变量相差较小有助于变形的均匀过渡和保持表面的平滑；反之粗大晶粒的晶粒内部和晶界附近的应变量相差较大晶粒之间的变形难以彼此协调变形不够均匀．因此晶粒力学行为的各向异性在宏观上造成了凹凸不平的表面结构而形成 “桔皮 ” 缺陷．（2）大的冲压量和织构特征不理想是加剧桔皮缺陷产生的两个重要因素．宏观织构与ＥＢＳＤ取向测量结果均显示钢板经冲压后出现了大量的｛112｝〈110〉取向晶粒这一典型冷轧织构的产生说明该样品在冲压过程中承受了强烈的冲压变形其表面和心部的形变差异越大形变越不均匀加上原始退火板的粗晶组织形变过程中各晶粒间的变形更加难以协调．表达钢板冲压性能的塑性应变比ｒ值与钢板织构有着密切的关系图 4（ｂ）中宏观织构显示原始退火板中有利的｛111｝〈110〉织构强度较弱同时不利的｛001｝〈110〉织构强度较高二者的综合效应必将使ｒ值降低从而造成钢板冲压性能恶化．这两种因素势必会加剧桔皮的产生．（3）ＥＢＳＤ测量结果显示桔皮表面形貌与晶粒取向的对应性并不显著这与文献［8］的研究结果存在明显不同．这可能是文献［8］针对的是压缩样品经重新抛光浸蚀后获得的微观组织形态认为取向是造成组织差异的原因体现了不同取向晶粒内部亚晶界数量、滑移量和均衡性差异；而本文针对的是自由表面呈现的不同组织形貌则可能是滑移量差异和表面接触状况差异的共同体现经组织观察和取向分析结果可以判断表面接触状况的差异才是造成桔皮表面形貌差异的主要原因．对于平缓区材料表面与模具紧密接触模具的制约使之无法 ·593·

,594 北京科技大学学报第32卷进行充分的自由滑移，抑制了该区域的塑性变形从 orange peel in ahm inum-JMater P rocess Technol 1998 80/81. 315 而形成光滑的表面；对于粗糙区，材料表面与模具接 [4]Cao SQ.Zhang JX.Wu JS et al Analysis on orange peel de- 触状况较差，促使它脱离模具的束缚并沿着挤压方 fect in Stl4 steel sheet by electron backscatterd diffraction 向进行充分的自由滑移，导致该区域发生塑性变形， (EBSD).J Mater Sci Technol 2005.21:17 从而形成凹凸不平的表面，图2(b)中所示的滑移线 [5]Li G.Zhu H.Lv L Study on the differences of characterizing 可以充分地说明该点， mough surfaces with wo fractal dinension methods Lubr Eng 2006(7):48 4结论 (李刚，朱华，吕亮·两种测度方法表征粗糙表面的效果研究润滑与密封，2006(7)：48) (1)铁素体晶粒过度粗大是导致冲压件表面产 [6]W outers0.Vellinga W P.van Tijm R.et al Effects of crystal 生桔皮缺陷的根源：而{111织构强度较弱和较大 stmucture and gran orientation on the roughness of defomed poly 冲压量则是加剧桔皮产生的两个因素、 crystalline metals Acta Mater 2006.54,2813 (2)桔皮自由表面由平缓区和粗糙区组成，两 [7]HuangG J XieSS Fang N Y,etal Study on the mough surface 个区域均显示为以{112(110和{111}(110为主 ofKFC copper strip Spee Cast Nonfermous Alloys 2007(Suppl 1):146 导的取向特征，表面形貌与晶粒取向的对应性不显 (黄国杰，谢水生，方奶云，等。KFC铜合金带材表面粗糙缺陷著，表面接触状况不同是造成这种形貌差异的主要的研究.特种铸造及有色合金，2007（增刊1）：146) 原因， [8]Yang P.Gao P.Sun Z Q Local defomation nhonogeneities in campressed bw catbon steels Mater Sci Technol 2005 13.655 参考文献 (杨平，高鹂，孙祖庆·低碳钢压缩时的微观形变不均匀性·材 [1]Exner H E Quantitative metalbogmphy for the geametry of mough 料科学与工艺，2005,13655) surface in three diensions Chin J Stercol mage Anal 2002 7: [9]YaaguchiK.MelbrPB Thickness and grain size dependence of 65 lin it strans in sheetmetal stretchng Int JMech Sci 1976 18. [2]Tong W,HectorL G Jr Weiland H,et al Insitu surface chamc- 85 terization of a binary akm inum alby during tensile defomation [10]KawaiN.Nakamura T.Ukai Y.Surface moughenng mechanis Serpta Mater 1997.36(11):1339 of polycrystalline metal sheet during plastic defomation Bull [3]Lee PS PichlerH R.Adamns B L Influence of surface texture on JME198629.1337

北京科技大学学报第 32卷进行充分的自由滑移抑制了该区域的塑性变形从而形成光滑的表面；对于粗糙区材料表面与模具接触状况较差促使它脱离模具的束缚并沿着挤压方向进行充分的自由滑移导致该区域发生塑性变形从而形成凹凸不平的表面图 2（ｂ）中所示的滑移线可以充分地说明该点． 4 结论（1）铁素体晶粒过度粗大是导致冲压件表面产生桔皮缺陷的根源；而｛111｝织构强度较弱和较大冲压量则是加剧桔皮产生的两个因素．（2）桔皮自由表面由平缓区和粗糙区组成两个区域均显示为以｛112｝〈110〉和｛111｝〈110〉为主导的取向特征表面形貌与晶粒取向的对应性不显著表面接触状况不同是造成这种形貌差异的主要原因．参考文献［1］ＥｘｎｅｒＨＥ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｙｏｆｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ．ＣｈｉｎＪＳｔｅｒｅｏｌＩｍａｇｅＡｎａｌ20027： 65 ［2］ＴｏｎｇＷＨｅｃｔｏｒＬＧＪｒＷｅｉｌａｎｄＨｅｔａｌ．Ｉｎ-ｓｉｔｕｓｕｒｆａｃｅｃｈａｒａｃ- ｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｂｉｎａｒｙａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｄｕｒｉｎｇｔｅｎｓｉｌｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒ199736（11）：1339 ［3］ＬｅｅＰＳＰｉｅｈｌｅｒＨＲＡｄａｍｓＢＬ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｅｘｔｕｒｅｏｎｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｉｎａｌｕｍｉｎｕｍ．ＪＭａｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ199880／81： 315 ［4］ＣａｏＳＱＺｈａｎｇＪＸＷｕＪＳｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅ- ｆｅｃｔｉｎＳｔ14 ｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｂｙｅｌｅｃｔｒｏｎｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＥＢＳＤ）．ＪＭａｔｅｒＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ200521：17 ［5］ＬｉＧＺｈｕＨＬｖＬ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｔｗｏｆｒａｃｔａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ．ＬｕｂｒＥｎｇ 2006（7）：48 （李刚朱华吕亮．两种测度方法表征粗糙表面的效果研究．润滑与密封2006（7）：48）［6］ＷｏｕｔｅｒｓＯＶｅｌｌｉｎｇａＷＰｖａｎＴｉｊｕｍＲｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｄｅｆｏｒｍｅｄｐｏｌｙ- ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍｅｔａｌｓ．ＡｃｔａＭａｔｅｒ200654：2813 ［7］ＨｕａｎｇＧＪＸｉｅＳＳＦａｎｇＮＹｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｏｆＫＦＣｃｏｐｐｅｒｓｔｒｉｐ．ＳｐｅｃＣａｓｔＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＡｌｌｏｙｓ2007（Ｓｕｐｐｌ 1）：146 （黄国杰谢水生方奶云等．ＫＦＣ铜合金带材表面粗糙缺陷的研究．特种铸造及有色合金2007（增刊 1）：146）［8］ＹａｎｇＰＧａｏＰＳｕｎＺＱ．Ｌｏｃａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｉｅｓｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌｓ．ＭａｔｅｒＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ200513：655 （杨平高鹏孙祖庆．低碳钢压缩时的微观形变不均匀性．材料科学与工艺200513：655）［9］ＹａｍａｇｕｃｈｉＫＭｅｌｌｏｒＰＢ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｌｉｍｉｔｓｔｒａｉｎｓｉｎｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ．ＩｎｔＪＭｅｃｈＳｃｉ197618： 85 ［10］ＫａｗａｉＮＮａｋａｍｕｒａＴＵｋａｉＹ．Ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍｅｔａｌｓｈｅｅｔｄｕｒｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ＢｕｌｌＪＳＭＥ198629：1337 ·594·

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低碳冲压钢板桔皮缺陷的成因