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Cu-Fe-P合金热轧后再经过多次冷轧时效复合加工成形工艺制得,最终成品带材表面发生起皮断裂现象。本文通过对带材表面缺陷及其显微组织的观察和分析,发现大量形状大小不一的Fe颗粒,有的甚至呈剥离破碎状态,严重影响了表面质量以及材料性能的发挥。
采用有限元和细观力学的胞元法,结合其在复相材料数值模拟中的应用,运用弹塑性有限元法的平面应变模型,依据Cu-Fe-P合金精轧后表面起皮剥落处的显微组织特征,分析冷轧残余应力状态下Fe颗粒大小、形状、分布密度和板材厚度等因素对材料表面破坏的影响。结果表明,在表面开裂的富Fe区,变形程度及颗粒直径越大,界面两侧的残余应力差值也越大。同等程度变形情况下 Fe颗粒的密度越大则残余应力越大,且在x方向颗粒处于压应力状态而基体主要处于拉应力状态,y方向则恰好相反,因此两种反向应力的作用所产生的残余应力差也越大。颗粒和基体界面处会发生应力集中,使得界面处被撕裂,易在此处发生开裂起皮。形状各异的颗粒位于同一模型中,尖角颗粒的界面处残余应力集中异常明显。颗粒越钝化,界面残余应力差值越小,促使Fe颗粒球形化处理会从一定程度上减小界面开裂的可能。板材轧至较小厚度时,Fe颗粒和Cu基体界面处的应力集中越发明显。
利用断裂机理分析发现,围绕第二相Fe颗粒和基体界面处的空穴微裂纹以及其他形式的微缺陷使得材料性能降低。并且在外部冷轧变形因素的影响下逐步发展,形成宏观裂纹,最后导致材料的表层断裂。
热轧板坯中存在较大的Fe相或高浓度含Fe区是引起合金带材表面出现起皮等缺陷的主要原因。在较大第二相Fe颗粒和Cu基体界面处的空穴微裂纹最终形成宏观裂纹导致Cu-Fe-P合金板坯表面断裂。建议采取适当的工艺措施,改善连铸坯中Fe相的大小、形态和分布。冷轧过程中的不均匀变形造成的变形不协调也对合金材料的断裂起了促进作用,应改善冷轧工艺尽可能采用多道次小变形量连轧,则在板坯的进一步轧制过程中就有可能避免发生表面起皮断裂现象。