TA1纯钛冷 轧薄板冲压过程开裂原 因分析

由于冷轧薄板多采用 冲压成形的方式进行后 期加工 ，因此对材料各个方 向上 的性能均匀性具有 较高的要求。冷轧纯钛薄板在轧制过程 中，经常会 出现起皮、凹坑、褶皱 、浪形等缺 陷 ，严重影 响产 品质量。冲压过程发生分层开裂通 常都是 由于材料 内部缺陷所引起的，已有相关研究表明，铸锭中心缩孔缩松 、气孔遗留至钛带产生硬 缺陷，在冷变形过程中会 导致开裂；另一方面，由于不合理的加工工艺 ，材料内部形成绝热剪 切带，同样会引起轧制过程中的开裂。 

近期，用户采用攀钢提供的TAI纯钛板坯经外委加工成冷轧薄板后，在冲压网状板式换热器板片的过程中，出现了冲压开裂现象，同时在冷轧薄板表面局部区域呈现有表面褶皱缺陷。表面褶皱缺陷通常是由于缺陷位置内部组织的异常所引起，而对于褶皱缺陷的形成原因和其内部微观组织及元素分布的研究还少有报道。本文重点针对冷轧薄板冲压过程开裂的原因进行了分析，并阐述了冷轧薄板表面褶皱缺陷和冲压开裂的内在联系

1试验材料及方法

       1. 1试验材料

本试验采用的材料为用户提供的带缺陷的冷轧薄板和发生冲压开裂的网状板式换热器板片，冷轧薄板厚度为0．8 mm，如图1和图2所示。由图1可见，冷轧薄板表面存在宽约10 mm的长条状“表面褶皱"缺陷，缺陷表面无裂纹，有明显的凹凸感由图2可见，冷轧薄板经冲压后发生了开裂现象

1· 2试验方法

在表面褶皱部位取样，将其截面经过金相抛光后，采用硝酸+氢氟酸+水溶液（体积比为4：2：100）腐蚀，用LEICA DM6000M金相显微镜观察截面形貌和组织。采用AMRAY一1000B扫描电子显微镜 (SEM)对褶皱缺陷截面和分层开裂断面形貌进行观察，工作电压20 kV，利用INCA能谱仪对其表面元素类别和含量进行能谱分析采用化学分析方法对缺陷部位及正常部位进行化学成分对比分析

      2试验结果与分析

2· 1表面褶皱缺陷分析

取“表面褶皱"缺陷试样，观察其所在位置的截面组织及截面上的元素分布情况，取样部位如图 3所示图4为“表面褶皱"部位对应的截面金相组织照片。由图4可见，“表面褶皱"部位在厚度方向上出现了明显的分层现象；近上下表面的一定厚度区域内为正常组织，而心部位置存在两条明显的纤维状组织层，其中一条宽度约10 pm,另一条宽度超过200 pm,并且在较宽的纤维状组织层附近能观察到有缝隙和孔洞存在。图4c为远离褶皱部位的区域，可以看到纤维状组织层逐渐消失，组织趋于正常

采用EDS能谱仪对该区域的元素进行了分析，结果如图5和表1所示从图5和表1可以看出，图5a上点1、2、6对应的正常组织区域未发现杂质元素；在纤维状层和缝隙区域发现了Al和MO等杂质元素。由全厚度的线扫描结果（图5b）可见，两个纤维层区域都出现了Al元素的明显波动，进一步证实了纤维层中Al元素的存在，由于MO元素含量 较低，未获得MO元素的线扫描曲线由此可见，“表面褶皱"缺陷部位在厚度方向上的组织出现异常，而内部组织出现异常的原因主要是由于Al和MO元素的富集，导致在厚度方向上的力学性能（包括强度、塑性等）与正常组织出现差异，在轧制变形过程中，该部位的延伸变形行为将与正常部位有所差异，变形量不一致，从而导致该区域出现褶皱。

     2· 2开裂缺陷分析

取“开裂"区域和正常区域的试样分别进行化学成分及截面组织分析，取样部位如图6所示。表 2为“开裂"区域1和正常区域2的化学成分分析结果。由表2结果可见，发生“开裂"的区域1和正常区域2的化学成分差异主要在于Al和MO元素，由于材料为纯钛，不应该含有Al和№元素，因此结果表明发生“开裂"的区域1含有杂质元素Al和Mo。

从宏观形貌上看，“开裂"缺陷区域1的板材发生的是分层断裂。为此，对“开裂"区域1分别取样，如图7所示图中，1 #试样为整块发生分层开裂的板材，用于观察和分析断裂表面；2 #试样为平行表面方向发生的裂纹扩展尖端，用于观察裂纹形貌和元素分布。图8、表3和表4分别为1 #试样断口形貌及断面上不同区域的元素分布情况。由图 8、表3和表4可见，断口呈解理面，即发生脆性开裂；从元素分布情况看，断口区域的主要杂质元素为Al和MO。

图9为2#试样裂纹扩展尖端的SEM形貌照片，表5为2#试样裂纹扩展尖端的能谱分析结果。结合图9和表5可见，裂纹扩展方向平行于薄板表面，如图9a和图9b，进一步证实了冲压过程发生了分层断裂。近裂纹区域的2、3、4区域断面为解理面，呈现脆断特征，利用能谱仪对该区域进行成分测定，结果显示该区域含有杂质元素Al和Moo远离裂纹区域的1、5区域断面呈现出韧窝形态，表明在冲压过程中发生韧性断裂，明显区别于裂纹附近的解理面特征，同时，该区域未发现Al和MO等杂质元素，为正常的纯钛基体。

2· 3冲压开裂原因分析

通过对网状板式换热板片开裂部位的微观形貌观察和能谱测试，可以看出，冲压开裂的形式是沿平行于板面方向的分层断裂，而并非垂直于板面的延伸断裂，表明开裂的原因并不是冷轧薄板的塑性差导致的，而是在厚度方向出现了塑性变形能力的差异。从分析结果来看，导致这种差异的原因是杂质元素Al和MO的混人，使得冷轧薄板的心部形成了一层脆性层，在冲压过程中，该脆性层由于塑性远差于其他正常组织区域，因此沿该脆性层发生开裂，表现为分层断裂。结合冷轧薄板的“表面褶皱"缺陷，可以发现二者都是由于杂质元素Al和 MO的混人，使得厚度方向上形成了一层异常组织，为此可以推断，冲压过程中的开裂正是发生在冷轧薄板“表面褶皱"缺陷部位。因此，坯料中Al和 MO等杂质元素的混人是导致冲压开裂的根本原因。

3结论