金属材料各向异性的开发研究毛卫民余永宁（北京科技大学材料科学与工程系）本文收到日期：１９ ９７年３月１４日初稿，１９９７年６月３日修改稿本文联系人：毛卫民，男，１９５０年１２月 生，博士，教授，北京市（１０００８３）北京科技大学材料科学与工程系摘要分析讨论了金属材 料各向异性开发利用的意义和前景，并介绍了作者近期的研究工作。关键词金属材料各向异性织构 近十几年来高技术新材料得到了突飞猛进的发展［１］，其中包括新金属材料的开发与应用。新金 属材料的开发虽然取得了较大的成果，但总的来说是靠牺牲某些优点来换取另一些性能的明显提高 。较为复杂的制造工艺和较高的制造成本则构成了这类新材料大范围推广使用的重大障碍。金属材 料大都是晶体材料。利用晶体本身存在的各向异性是改善传统金属材料性能的一个重要手段。冶炼 技术的进步和现代织构分析技术的出现［２］为这一手段的发展提供了有力的支持。这种手段的特 点在于制备出有明显各向异性的织构材料，将性能优异的晶体学方向转置在最需要的方向上。这样 既保持了金属材料原有的全部优点，又可以使所需要的性能得到显著的提高。近些年来许多国家投 入了大量的精力从事这方面的开发研究，并取得了卓著的成就。金属材料各向异性的开发研究已成 为当前材料领域一个极为重要的发展方向。本文将简述笔者近几年在该领域的工作。１钢铁材料钢 铁材料应用最为广泛，因而其各向异性的开发利用具有明显的重要意义。汽车工业的发展对冲压钢 板的工艺性能提出了很高的要求，高自动化的连续生产往往需要钢板一次能作很大的冲压变形而不 出现质量问题。晶体学分析表明，这就需要板材具有很强而且均匀的｛１１１｝面平行于冲压板面 的织构，或称｛１１１｝纤维织构［３］；同时也要求钢板纯度提高，碳、氮原子含量只容许有百 万分之几十，即做到无间隙原子（ＩＦ）。图１在取向分布函数（ＯＤＦ）截面图上给出了国产Ｉ Ｆ钢退火处理生成的｛１１１｝纤维织构［４］。图１ａ）给出了φ２＝４５°截面上重要的取向 位置。这种ＩＦ钢板的塑性应变比ｒ值可达到２．０以上（即塑性各向异性）。｛１１０｝＜００ １＞织构是用以提高取向硅钢软磁性能的重要织构。它主要是利用了轧面上的易磁化＜００１＞方 向。由此可以理解，如果能制成含有强｛１００｝＜００１＞织构的电工钢板，亦即使轧面上有两 个互相垂直的＜００１＞方向，则可使取向硅钢软磁性能达到最理想的境界。对于◆｛１００｝＜ ０１１＞，◇｛２１１｝＜０１１＞，▲｛１１１｝＜０１１＞，｛１１１｝＜２１１＞图１国 产ＩＦ钢织构（ＯＤＦ的φ２＝４５°截面图，密度水平：２，３，４，５）ａ）典型取向的位置 ｂ）７４％冷轧织构（ｍａｘ＝５．９）ｃ）７００℃退火织构（ｍａｘ＝４．８）Ｆｉｇ．１Ｔ ｅｘｔｕｒｅｉｎＩＦｓｔｅｅｌｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎＣｈｉｎａ（φ２＝４５°ｓｅｃｔｉｏ ｎｏｆＯＤＦ，ｄｅｎｓｉｔｙｌｅｖｅｌｓ：２，３，４，５）ａ）ｔｙｐｉｃａｌｏｒｉｅｎ ｔａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｂ）７４％ｒｏｌｅｄ（ｍａｘ＝５．９），ｃ）７００℃ａ ｎｎｅａｌｅｄ（ｍａｘ＝４．８）许多用于旋转电磁场的软磁硅钢，则需要使相应无取向电工钢 板具有强而均匀的｛１００｝面平行于轧面的纤维织构，从而使电磁场在旋转过程中始终可以利用 钢板较好的软磁性能。为了实现以上两点，人们已做了很多努力。虽然在大规模生产上尚未获得完 全的成功，但正面临着重大的突破；可望在今后几年内取得实质性成果，并在基本采用传统生产工 艺和不明显增加生产成本的前提下应用于大规模工业化生产。图２给出了国产高质量取向和无取向 硅钢的织构状况［５］。图２ａ）给出了φ１＝０°截面上重要的取向位置。从图２ｂ）可以看出 ｛１００｝纤维织构已初具规模，图２ｃ）可以看出｛１００｝＜０１１＞织构也已比较强，将板 材沿板法向转４５°剪裁即可得到｛１００｝＜００１＞织构板材。ａ）ｂ）ｃ）■｛１００｝＜ ００１＞，□｛１１０｝＜００１＞，◆｛１００｝＜０１１＞，◇｛２１１｝＜０１１＞，▲｛ １１１｝＜０１１＞图２国产电工硅钢织构（ＯＤＦ的φ１＝０°截面图，密度水平：２，３，４ ，５，６）ａ）典型取向的位置ｂ）｛１００｝纤维织构（ｍａｘ＝４．９）ｃ）｛１００｝＜０ １１＞织构（ｍａｘ＝６．３）Ｆｉｇ．２ＴｅｘｔｕｒｅｉｎＳｉｓｔｅｅｌｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎＣｈｉｎａ（φ１＝０°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ，ｄｅｎｓｉｔｙｌｅｖｅｌｓ：２，３ ，４，５，６）ａ）ｔｙｐｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｂ）｛１００ ｝ｆｉｂｒｅｔｅｘｔｕｒｅ（ｍａｘ＝４．９），ｃ）｛１００｝＜０１１＞ｔｅｘｔｕｒｅ（ ｍａｘ＝６．３当前国内外不锈钢的用量日益增加，促使生产企业在提高性能、更新技术、降低成 本等方面不断作出努力。近些年来不仅成分设计和冶炼技术更加先进、薄带连铸等新技术已得到试 用，而且不锈钢的各向异性问题也得到了关注和开发研究。图３给出了奥氏体不锈钢板冷轧和退火 后的织构。在退火过程中强的｛１１０｝＜１１２＞冷轧织构转变成｛１１０｝＜００１＞、｛１ ００｝＜００１＞和｛１１２｝＜１１１＞织构。这种再结晶织构与冷轧织构的形成过程［３］以 及再结晶的形核过程有密切关系，从而可以借助调整生产工艺来控制织构的生成，进而得到所期望 的各向异性。ａ）ｂ）ｃ）■｛１００｝＜００１＞，□｛１１０｝＜００１＞，◇｛１１０｝＜ １１２＞，△｛１１２｝＜１１１＞，○×｛５５２｝＜１１５＞图３奥氏体不锈钢板冷轧和退火 织构（ＯＤＦ的φ２＝４５°截面图，密度水平：２，４，７，１２，２０）ａ）典型取向的位置 ，ｂ）９５％冷轧织构（ｍａｘ＝２２．６），ｃ）９００℃退火织构（ｍａｘ＝４．９）Ｆｉｇ ．３Ｔｅｘｔｕｒｅｓｉｎａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔ（φ ２＝４５°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ，ｄｅｎｓｉｔｙｌｅｖｅｌｓ：２，４，７，１２，２０ ）ａ）ｔｙｐｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｂ）９５％ｒｏｌｅｄ（ｍ ａｘ＝２２．６），ｃ）９００℃ａｎｎｅａｌｅｄ（ｍａｘ＝４．９）２非铁金属材料非铁金属 材料含概了极为广泛的金属与合金系。其中铝及铝合金用量最大。各向异性利用较好的有易拉罐用 铝合金板、高压电子铝箔等工业产品。图４ａ）给出了国产高压电子铝箔的织构［６，７］，其｛ １００｝＜００１＞织构含量超过了９０％。用这种铝箔生产的电解电容器，在体积不变的情况下 可使电容器的容量提高几十倍。图４ｂ给出了超大规模集成电路芯片用单晶硅表面沉积的铝膜的织 构。其极为峰锐的｛１１１｝平行于表面的纤维织构对随后的加工和使用性能非常有利。图４ｃ） ，ｄ）分别表示的是钛板的｛０００１｝纤维织构［８］和钢板表面镀锌层的｛０００１｝纤维织 构。这些织构对相应板材的后续加工和使用性能都有重要影响。３新金属材料以金属间化合物基合 金为典型代表的新金属材料已经得到很大发展。其织构和各向异性的研究与利用也得到了越来越多 的重视。图５ａ），ｂ）分别给出了Ｔｉ３Ａｌ基合金［９］和高温超导材料［７］中所形成的｛ ０００１｝纤维织构和｛００ｌ｝纤维织构。对（Ｔｂ，Ｄｙ）Ｆｅ２［１０］和ＮｄＦｅＢ 等磁性材图４不同金属材料的织构ａ）电子铝箔｛２００｝极图，ｂ）沉积铝膜｛１１１｝极图， ｃ）钛板｛０００２｝极图，ｄ）钢板镀锌层｛０００２｝极图Ｆｉｇ．４Ｔｅｘｔｕｒｅｓｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓａ）｛２００｝ｐｏｌｅｆｉｇｕｒｅｏｆｅｌ ｅｃｔｒｉｃＡｌｆｏｉｌ（ｍａｘ＝２７．５，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，４，７，１２，１５， ２０）．ｂ）｛１１１｝ｐｏｌｅｆｉｇｕｒｅｏｆｄｅｐｏｓｉｔｅｄＡｌｆｉｌｍ（ｍａｘ＝ ４５．３，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，４，７，１２，１５，２０，３０，４０）．ｃ）｛０００２ ｝ｐｏｌｅｆｉｇｕｒｅｏｆＴｉｓｈｅｅｔ（ｍａｘ＝４．１，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，３，４ ）．ｄ）｛０００２｝ｐｏｌｅｆｉｇｕｒｅｏｆｇａｌｖａｎｉｚｉｎｇｌａｙｅｒｏｎｓｔｅ ｅｌ（ｍａｘ＝７３．５，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，４，８，１６，３２，６４）．料的研究表明 ，织构是这类材料开发取得成功的至关重要的因素。图６给出了Ｆｅ３Ａｌ基合金板回复退火和再 结晶退火处理造成的织构变化［１１］。力学性能分析显示，回复处理使变形织构增强，因而力学 性能大大改善；而再结晶处理则使织构基本消失，力学性能急剧恶化。由此可见织构对新金属结构 材料的重要作用。４理论研究为了推动金属材料各向异性开发研究的深入开展，织构理论的研究工 作也显得十分重要。这些理论包括变形织构形成理论［１２～１４］、织构的不均匀性［１５，１ ６］、再结晶织构形成理论［１７，１８］及其相应过程的模拟，以及与织构相关的金属材料性能 在线检测理论［１９，２０］等。图５新金属材料中的织构ａ）Ｔｉ３Ａｌ板｛０００２｝极图， ｂ）高温超导Ｓｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｏｘ｛００ｌ｝极图Ｆｉｇ．５Ｔｅｘｔｕｒｅｓｉｎａｄｖａ ｎｃｅｄｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓａ）｛０００２｝ｐｏｌｅｆｉｇｕｒｅｏｆＴｉ３Ａｌ ｓｈｅｅｔ（ｍａｘ＝６．１，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，３，４，５）．ｂ）｛００ｌ｝ｐｏｌｅ ｆｉｇｕｒｅｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ｍａｘ＝ ２７．６，ｌｅｖｅｌｓ：１，２，４，７，１２，１５，２０）．ａ）ｂ）ｃ）图６Ｆｅ３Ａｌ 基合金轧制和退火织构（ＯＤＦ的φ１＝０°截面图，密度水平：２，４，７，１２，１８）ａ）８０％轧制织构（ｍａｘ＝１７．７），ｂ）回复织构（ｍａｘ＝１８．５），ｃ）８５０℃再结晶织构（ｍａｘ＝３．６）Ｆｉｇ．６ＴｅｘｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｓｉｎＦｅ３Ａｌｂａｓｅｄｒｏｌｉｎｇｓｈｅｅｔ（φ１＝０°ｓｅｃｔｉｏｎｏｆＯＤＦ，ｄｅｎｓｉｔｙｌｅｖｅｌｓ
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