應(yīng)變率對高導(dǎo)無氧銅的變形織構(gòu)的影響A.Bhattacharyya*,D.Rittel1,G.RavichandranGraduateAeronauticsLaboratories,AeronauticsandMechanicalEngineering,CaliforniaInstituteofTechnology,1200E.CaliforniaBlvd.,Pasadena,CA91125,USAReceived31May2004;receivedinrevisedform11November2004;accepted18November2004Availableonline16December2004摘要：高應(yīng)變率對高導(dǎo)無氧銅品體結(jié)構(gòu)的影響首次被觀察和報道，用兩組剪切壓縮試樣在差別較大的應(yīng)變率（0.001s-】和7000s-1）下達到相同的應(yīng)變，并用電子顯微取向成像來觀察它們的織構(gòu)，通過比較在兩個應(yīng)變率水平的應(yīng)力一應(yīng)變曲線和主要織構(gòu)成分，應(yīng)變速率的提高引起應(yīng)變硬化的增加，從而影響了材料的織構(gòu)。關(guān)鍵詞：剪切壓縮試樣、取向成像顯微鏡（OIM）、高導(dǎo)無氧（OFHC）銅、應(yīng)變率、織構(gòu)1、引言多晶高導(dǎo)無氧（OFHC）銅是一種用于各種變形方式和高應(yīng)力、高應(yīng)變率、高溫研究中最為廣泛的材料之一。材料變形時，織構(gòu)的形成是由于晶體的重新取向造成的。這種變形織構(gòu)在準靜態(tài)應(yīng)變率下的演變已經(jīng)被大多數(shù)研究員所分析過了，以此來評估面心立方（fcc）金屬基于品體塑性模型的預(yù)測能力，見參考文獻［1、2］中。之前Leffers研究過高應(yīng)變率對軋制織構(gòu)的影響⑷，并且Leffers和Pedersen對Cu-5%Zn也做過同樣的研究。然而，據(jù)我所知，沒有一個單一關(guān)于無氧高導(dǎo)電銅的實驗，它旨在觀察應(yīng)變率對變形織構(gòu)的影響。這個信息對檢查正確性和擴大當前的本構(gòu)模型的應(yīng)用范圍是非常必要的，這些本構(gòu)模型大多是與應(yīng)變率相關(guān)的［槌。這里介紹高導(dǎo)無氧銅在高應(yīng)變率下變形的變形織構(gòu)的新成果。為了實現(xiàn)在多種不同應(yīng)變率下的變形，使用單一的幾何試樣，這種最新發(fā)明的剪切壓縮試樣

（SCS）用于這個研究的整個過程。織構(gòu)的演變是與應(yīng)變率相關(guān)的。表1變形實驗中剪切壓縮變形試樣的選擇樣品應(yīng)變率（S-1） 原始寬度 最終寬度 高度（w）（mm） （可※）（mm） （h）（mm）A0.001 1.27 0.64 29.21B7000 2.54 1.27 27.94圖1變形的剪切壓縮試樣的示意圖，在本實驗研究中，兩種試樣的直徑知），厚度（t），以及間隙（P）都是相同的。對試樣A（準靜態(tài)）和B（高應(yīng)變率）的未變形區(qū)（,和c）以及變形區(qū)0）的中部區(qū)域用取向成像顯微鏡（OIM）進行掃描。2、實驗兩個經(jīng)冷拔的圓柱形無氧高導(dǎo)銅樣品，規(guī)格如表1所示，被用來在室溫和兩個不同的應(yīng)變率水平下進行壓縮試驗。通過在與拉伸方向（沿高度）成45。的地方加工兩個插槽，把圓柱形試樣做成剪切壓縮試樣，如圖1所示⑶。這些試樣被用在特定的條件下進行試驗。通過使用計算機控制的伺服液壓機（MTSModelno.11019），使樣品A在應(yīng)變率為0.001S-1的準靜態(tài)下壓縮?？偟乃苄詰?yīng)變?yōu)?.5。用分離式霍普金森壓桿裝置對試樣B在應(yīng)變率為7000S-1下進行類似的壓縮，達到0.5的等效應(yīng)變。剪切壓縮試樣銅的本構(gòu)關(guān)系如下（Ritteletal中的式（2）和（3）。⑶）,V2這里的d是應(yīng)變片區(qū)域的垂直距離，h是初始規(guī)高度（=w）,。e是等效壓力，P是施加載荷，^和t圖1中的試樣直徑和規(guī)高厚度。變形過后，使用放電加工（EDM），將應(yīng)變片區(qū)域（圖1）沿壓縮方向從中部切成薄片。試樣切片后，將薄片機械研磨和電解拋光。利用取向成像顯微鏡（OIM）對試樣表面進行晶體取向測量方］，取向成像顯微鏡采用全自動（電腦）對背散射菊池衍射圖樣的鑒定，并自動計算品格取向。OIM的技術(shù)有一個典型的空間分辨率約為1微米。在這個研究中，OIM一次掃描能覆蓋的最大面積為ImmXlmm。對試樣A和B,不同區(qū)域（圖1（a）—（c））沿壓縮方向的掃描結(jié)果都會記錄下來。3、結(jié)果圖2（a）試樣A為變形區(qū)的結(jié)構(gòu)；（b）未變形區(qū)域的織構(gòu)是＜111＞方向強纖維織構(gòu)與＜100＞方向弱纖維織構(gòu)的結(jié)合對SCS試樣在兩種不同應(yīng)變率下壓縮變形達到相同的標稱應(yīng)變后，有人通過測量尺寸發(fā)現(xiàn)，包含區(qū)域a和c的圓柱形區(qū)域仍然存在為變形區(qū)，而包含b區(qū)域的標記區(qū)域則出現(xiàn)了剪切應(yīng)變。這些都與Ritteletal［3］的關(guān)于剪切壓縮試樣變形模型的報道相一致。因此，SCS試樣只能單獨適用于標記區(qū)域。圖2（a）展示了試樣A中變形區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，揭示了事先的冷拔變形導(dǎo)致了鋸齒狀滑線的出現(xiàn)。這是試樣A和B中區(qū)域a和c的典型微觀結(jié)構(gòu)。在（111）極圖（圖2（b））上顯示了未變形區(qū)域品粒的取向。大多數(shù)晶粒都是以與試樣zo方向平行的＜111＞軸為導(dǎo)向（例如拉伸方向），而＜100＞軸平行于試樣的z。方向的品粒數(shù)量很少。這種織構(gòu)與眾所周知的冷拉銅絲樣品觀察的織構(gòu)相符合⑻。變形后，在試樣A和B的區(qū)域a和c的組織是均勻的。3.1、準靜態(tài)變形圖3（a）試樣A在應(yīng)變率為10-3S-1下變形的等效應(yīng)力一應(yīng)變曲線，從實驗載荷位移曲線（P—d）并通過運用等式（1）和（2）繪制的。（b）準靜態(tài)變形試樣A剪切去中部的微觀結(jié)構(gòu)。（c）試樣A變形區(qū)中部的織構(gòu)。（d）試樣A在應(yīng)變片區(qū)域（剪切）坐標系（圖1中所示）中的旋轉(zhuǎn)織構(gòu)。圖3（a）是在應(yīng)變率為0.001S-1下試樣A準靜態(tài)變形的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。圖3（b）是試樣A中切變區(qū)的（例如區(qū)域b）中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。由于存在剪切應(yīng)力，被拉長的晶粒開始從式樣的Z0方向開始移動。圖3（c）是相同區(qū)域的（111）品面極圖。極圖是與試樣對稱性相符的Y軸相對應(yīng)的。為了更好地理解，就像圖1中表示的那樣，用坐標軸的旋轉(zhuǎn)來表示“在應(yīng)變片區(qū)域（剪切）坐標系（x】一七）〃中的極圖。這個極圖（圖3（d））與已知的從扭轉(zhuǎn)實驗獲得（111）品面極圖類似。（扭轉(zhuǎn)實驗引進了簡單的切變就像目前實驗中的情況一樣，把切變主導(dǎo)的變形引入到應(yīng)變片區(qū)域。⑼）3.2、動態(tài)變形圖4（a）試樣B在7000S-1應(yīng)變率下的變形的等效應(yīng)力一應(yīng)變曲線（應(yīng)力的第一個起伏是由于應(yīng)力狀態(tài)沿SCS長度方向的非平衡導(dǎo)致的，通常是在用分離式霍普金森桿做高應(yīng)變率測試時才能觀察到。）。（b）動態(tài)變形試樣B切變區(qū)中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。（c）試樣B變形區(qū)中間區(qū)域的織構(gòu)。（d）試樣B的應(yīng)變片區(qū)域（剪切）坐標系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)織構(gòu)。圖4（a）是試樣B在應(yīng)變率為7000S-1下的動態(tài)變形的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。圖4（b）是動態(tài)變形試樣B切變區(qū)（例如區(qū)域b）中間區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。圖4（c）和（d）是切變區(qū)中間區(qū)域相應(yīng)的極圖。在這里一個主要的發(fā)現(xiàn)就是兩種無氧高導(dǎo)電銅試樣在不同的應(yīng)變率水平下達到相同的應(yīng)變后表現(xiàn)出了不同的織構(gòu)（如圖3和4）。這種差異不是由于任何再結(jié)品的影響，因為再結(jié)品只有在非常高應(yīng)變率20,000S-H3］才能觀察到，此外，在變形微觀織構(gòu)（圖4（a））中沒有再結(jié)晶晶粒。扭轉(zhuǎn)實驗中了解到晶粒旋轉(zhuǎn)是使得它們的＜110＞軸沿剪切方向［9］。在這里，因為應(yīng)變區(qū)域經(jīng)歷的是以剪切變形為主的變形，對上述兩個變形織構(gòu)（圖3和4）進行對比研究發(fā)現(xiàn)部分晶粒取向與旋轉(zhuǎn)方向一致。從對區(qū)域a、b和c掃描生成的OIM圖像中看出，晶粒的＜110＞軸方向與剪切方向在15。（任意選擇）范圍內(nèi)有一個分數(shù)比例％。這些分數(shù)比例是從兩種試樣的三個區(qū)域中獲得的，并把它們轉(zhuǎn)化成如圖5所示的直方圖。為了使變形對品粒旋轉(zhuǎn)的影響更加直觀，對于兩種試樣，可以假設(shè)未變形區(qū)域（區(qū)域a和c）的直方圖與變形前的變形區(qū)域（區(qū)域b）的直方圖相同。正如預(yù)料的一樣，對試樣A和B，變形后品粒的＜110＞軸向剪切變形方向靠近的品粒的分數(shù)比例有所增加。然而，與高應(yīng)變率的變形樣品B相比低應(yīng)變率的變形樣品A的增幅要大。另外，其他因素（例如＜111＞和＜100＞方向的纖維織構(gòu)）對以剪切為主導(dǎo)的變形的影響也在圖5中列出。對試樣A和B觀察到，在變形后，主要成分會明顯的減少。圖5對比圖顯示了在準靜態(tài)變形試樣A和動態(tài)變形試樣B中的各種織構(gòu)品粒的比例：（1）晶粒＜100＞軸的取向與試樣z軸方向的位向在15。內(nèi)的比例分數(shù)；（2）品粒＜111＞軸的取向與試樣z軸方向的位向在15。內(nèi)的比例分數(shù)和（3）晶粒＜110＞軸的取向與試樣x1軸（旋轉(zhuǎn)架）方向的位向在15。內(nèi)的比例分數(shù)，例如剪切方向。3.3對變形的均勻性以檢查織構(gòu)的均勻性，沿著準靜態(tài)和動態(tài)變形試樣應(yīng)變片區(qū)的中間區(qū)域做OIM掃描，觀察到沿應(yīng)變片長度方向織構(gòu)仍然沒變。這個特征表明在SCS應(yīng)變片區(qū)域變形才是均勻的，這在早期工作中從數(shù)值中得到驗證⑶。4、討論本研究以考察應(yīng)變率對室溫下獲得的高導(dǎo)無氧銅變形織構(gòu)的影響為重點。從極圖（圖3（b）和4（b））可以觀察到，性質(zhì)不同的織構(gòu)在應(yīng)變率差別很大的情況下（變形到相同的應(yīng)變水平）所得到的，從而表明應(yīng)變率對變形織構(gòu)的重要性。此外，從晶粒旋轉(zhuǎn)來分析（圖5），發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變率試樣中晶粒旋轉(zhuǎn)使得品粒的＜110＞軸向剪切方向（xi）靠近的品粒分數(shù)比例的增幅比高應(yīng)變率試樣中的要高。這表明與低應(yīng)變率變形試樣相比，高應(yīng)變率變形試樣中品粒向剪切方向的旋轉(zhuǎn)受到抑制。通過比較應(yīng)力一應(yīng)變曲線（圖3（a）和4（a））看出，這種影響很有可能是由于高應(yīng)變率變形試樣B的較高初始應(yīng)變硬化。這種銅在高應(yīng)變率下有明顯增加的初始應(yīng)變硬化在其他群體中也能觀察到mu"對類似實驗的注意是非常重要的，體心立方Ta的實驗表明在高應(yīng)變率下的變形織構(gòu)中觀測到的變化非常少，這也可能是由于在高應(yīng)變率下初始應(yīng)變硬化沒有增加的事實［12］。因此，織構(gòu)中觀察到的差異似乎與應(yīng)變率本身的一個功能應(yīng)變硬化直接相關(guān)。在晶體的水平上，這種差異可能是由于在單個滑移系中單滑移硬化的不同，也可能是由于潛在硬化的差異（或者交叉滑移，就如同Ref.⑸的結(jié)論）。然而，單個滑移系對各種應(yīng)變率的響應(yīng)并沒有能說明這種材料的特性，而只是為了來驗證應(yīng)變率對由此產(chǎn)生的織構(gòu)的影響程度。因此，單品的研究目前正在進行，就是為了探索這些可能性。從我們目前的實驗研究可以得出結(jié)論，需要