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 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．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 Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓｉｎｌｏｗｃａｒｂｏｎｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔｓ ＬＩＸｉａｏ 1）ＹＡＮＧＰｉｎｇ 1）ＬＩＮＲｕｉ-ｍｉｎ 2）ＬＩＵＸｉ-ｆｅｎｇ 2）ＣＨＥＮＬｅｎｇ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＴａｎｇｓｈａｎＪｉａｎｌｏｎｇＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄＺｕｎｈｕａ064200Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴａｋｉｎｇｂａｔｃｈａｎｎｅａｌｅｄＳＰＣＤｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｓａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｈｅｅｔｓｔａｍｐｉｎｇｃｏｎｃｅｒｎ- ｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆＳＥＭＸＲＤａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂａｃｋ- ｓｃａｔｔｅｒｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＥＢＳＤ） ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅｆｅｃｔｓａｒｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｅｘｃｅｓｓｉｖｅｌｙｃｏａｒｓｅｆｅｒｒｉｔｅｇｒａｉｎｓ ｗｈｅｒｅａｓｗｅａｋｆａｖｏｒａｂｌｅ｛111｝ｔｅｘｔｕｒｅａｎｄａｌａｒｇｅｒｓｔａｍｐｉｎｇｖａｌｕｅｍｉｇｈｔｂｅｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｇｇｒａｖａｔｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｅ- ｆｅｃｔｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｆｅａｔｕｒｅｄｂｙｓｍｏｏｔｈａｎｄｒｏｕｇｈｚｏｎｅｓｏｎｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｏｒａｎｇｅｐｅｅｌｄｏｎｏｔｓｈｏｗｒｅｍａｒｋａｂｌｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｎｇｒａｉｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｂｏｔｈｄｉｓｐｌａｙｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅｗｉｔｈｄｏｍｉｎａｎｔ｛112｝〈110〉ａｎｄ｛111｝〈110〉ｔｅｘｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｌｏｗｃａｒｂｏｎｓｔｅｅｌ；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％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｓ Ｐ Ａｌ Ｎ 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 ,591. 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 45 R 30 Level12468101213 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)92=45°ODF图 Fig 3 Micmstructure and macmo-exture of a priary annealing sheet of the stmping with good draw ing pmoperty:(a)OM m icmograph (b)2= 45°section of0DF 0 RD 0 um 945 90 Lcwe1.0253.06.08.0100102 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)2=45°0DF图 Fg4 M icmostnichure and macm-texture of a prinary annealing sheet of the sumping with orange peel defects (a)OM microgmaph:(b)45 section ofODF 图5显示了在桔皮区截取的样品横截面的金相 晶粒尺寸和晶粒数量均无特定规律，但其织构类型 组织和织构·样品表面高低不平，高处对应于SM 和织构强度较之原始退火板均发生了显著变化，表 形貌中发暗的区域，即平缓区，呈平滑的表面；而较 现为{111}(110织构强度明显减弱的同时伴随着 低处对应于SM形貌中发亮的区域，即粗糙区，呈 {112}(110织构的显著增强，此外，还出现了部分 凹凸不平的表面，与文献[4]中描述的特征不同，本 由不均匀变形所致的{110(112黄铜型剪切织构. 文发现桔皮在微观上的凹凸不平并非是由某一类粗 其中{112(110织构是低碳钢典型的冷轧形变织构， 大晶粒的隆起而造成的，平缓区和粗糙区所对应的 反映该工件侧壁在冲压过程中承受了强烈的变形 (a) b 能区 馒区 冲压方向 20m 男45 Lvel1248121617 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)92=45°0DF图 Fig5 Miemstnuchue and macm-exume of the transverse section of the sampl with onnge peel defect (a)OM micmgmaph (b)45section ofODF
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） ＯＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ；（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°ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆＯＤＦ ·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<110>+00I<110>+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·