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第３５卷第３期 有色金属加工 ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ ＭＥＴＡＬＳ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＶＯＩ．３５ ＮＯ．３ Ｊｕｎｅ ２０ｏ６ ２００６年６月 铜及铜合金板带材加－ｒ－￣ｎ分切应力分析 路俊攀 （洛阳铜／ｊｎｍ集团有限责任公司，河南洛阳４７１０３９） 摘要：采用分条变形方法对铜及铜合金板带材加工过程中（轧制、退火、矫直）和分切后的残余应力进行了 系统的测试及分析。结果表明：轧制后带材各部位应力分布均匀，退火和矫直后应力基本消除；分切过程中， 剪切力引起挠曲，推力和撕裂力的合力导致侧弯，而扭转是这三个力联合作用的结果；分切后带材内部出现 的挠曲是由于上下切环配合不良、向内的横向合力较大引起的。 关键词：铜及铜合金；板带材；分条变形；残余应力；分析 中囱分类号：ＴＧ３３９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１．６７９５（２００６）０３．００３４．０４ 铜及铜合金板带材是经过轧制、热处理、矫直、剪 切等工序加工而成的，在这一系列加工过程中，均会 ±０．５－ｍ），使残余应力完全释放，然后利用万能工具 显微镜测量细条的变形（图１）。 对于全宽度试样，自边部到中心分出若干个距离 （１０—１００－ｍ）不等的细条；对于分切试样，在两个边 部分条，以及从边部到中心依次连续分条；对于长分 不同程度地产生残余应力，同时，带材不同部位之间 由于变形不均匀或温度不均匀还会产生附加应力。 残余应力及附加应力的存在会导致板形缺陷，冲裁后 出现挠曲、侧弯、扭转等现象，影响最终制品的加工和 切试样，首先将其均分成长度约为２５０ ｎｌｌｎ的６个试 样，然后分割出宽度分别为１．１ ｎｌｌｎ、１．９ ｎｌｌｎ、３．８ Ｉｍ、 产品质量，甚至导致报废。 ． 研究带材应力的来源、分布及大小，对于改进加 工工艺和产品质量具有重要意义。特别是近几年来 铜加工业日益进入精加工时代，材料的微观结构和应 力分布已成为重要研究课题。 铜及铜合金板带材加工和分切过程中的受力分 ５．７ ｎｌｌｎ、７．６ ｎｌｌｎ、９．５ ｎｌｌｎ的边部细条，以考察边部剪切 应力对带材内部的影响。 边部细条 口 析，文献［１］、［２］中均有介绍，而详细系统的测试与分 析尚未见报道。本文采用分条变形方法ｂ 对板带材 加工过程中（轧制、退火、矫直）特别是分切后产品的 残余应力进行测试并做初步分析。 ．ｂ １实验材料及方法 １．１实验材料 ①全宽度试样（宽５６０—６００ ｍｍ、长２５０ ｍｍ），取 ｌ ～ — 自板带材加工各工序：厚度为０．６４ ｎｌｌｎ的硬轧制状态 （Ｙ）试样及退火状态（Ｍ）试样；厚度为０．３８ Ｉｍ的硬状 君｝ 态（Ｙ）试样及矫直后的试样； ②分切试样，将厚度为０．３８ ｎｌｌｎ的带材在纵剪机 组上分切成１３条，每条宽４０ ｎｌｌｎ、长２５０ ｍｍ；另取一条 长约１ ５００ ｎｌｌｎ的同样宽度的长试样。 １．２实验方法 图１ 挠曲、侧弯和扭转变形示意图 采用分条变形方法测定试样的变形参数（挠曲、 侧弯和扭转），即采用刻蚀法，沿加工方向在试样待测 部位分出一个自由的细条（宽２．０±０．２ ｎｌｌｎ、长１００．０ ２ 实验结果 ２．１全宽度试样 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 有色金属加工 全宽度试样，无论是Ｙ状态、Ｍ状态还是矫直试 ２．２分切试样 样，从边部到中心不同部位分割出的自由细条均未出 现明显的挠曲、侧弯和扭转变形，即细条与基体保持 同一形态。 ２．２．１两个边部分条 每个分切试样（０．３８×４０×１００ ｒｎｉｎ）的两个边部分 条的测试结果见表１。 表１ 分切试样的两个边部分条的实测结果 编号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ 注：表中正负号按照文献［５］的规定标注。即挠曲方向与毛刺方向相反为正；向外侧弯为正，反之为负；细条外侧边向毛刺反方向扭转为正． 反之为负。 ２．２．２从边部到中心依次分条 ３．２．１剪切力 取表１中边部分条向内侧弯的试样（共１Ｏ批次）， 纵剪过程如图２、图３所示。理论研究表明，剪切 过程分为翻转区、光亮区、破裂区和毛刺区４个阶段。 从边部向中心依次分条，测定结果表明，边部细条均 不同程度地出现挠曲、侧弯和扭转，而其余细条未见 明显变化；同样，取表Ｉ中边部分条向外侧弯的试样 在前两个过程中，带条边部承受剪切力Ｆ和来自刀片 的向内的推力 （图４）；在后两个阶段，带条边部受到 相邻带条向外的撕裂拉力 ，切断后边部出现与剪切 （共ｌＯ批次），从边部向中心依次分条，结果表明边部 细条均有变化，而其余细条出现向上或向下挠曲或不 变，这种挠曲高度仅有１—３ ｒｎｉｎ，甚至可以忽略不及。 边部变形越大，内部细条的挠曲越明显。 ２．３长分切试样 力同方向的毛刺。各区所占面积与剪刃侧间隙、重叠 量、剪刃锐利程度及材料软硬有关。文献［２］认为，在圆 盘剪切过程中，侧向推力不超过剪切力的５％。分析认 为，撕裂力的大小与侧向推力相近，正是由于剪切过程 长分切试样不同宽度边部细条的挠曲高度如表２ 所示。 表２长分切试样不同宽度边部细条的挠曲高度 中撕裂力的存在，才导致扭转和侧弯的不确定性。 ３．２．２挠曲 如图４所示，剪切过程中带材边部受到向下的剪 切力，分条后残余应力释放，细条必然向剪切力的反 方向挠曲。由于剪切力的方向与毛刺的方向一致，因 此边部细条均出现与毛刺方向相反的正挠曲。由于 加工、热处理及其它因素所导致的板带材内部不均匀 变形，或温度不均匀而引起的附加应力，其方向是不 确定的，因此应力释放后的挠曲方向也是不确定的。 ３．２．３侧弯 ３．１加工过程（轧制、退火、矫直）应力分析 ３ 结果分析 当撕裂力 大于推力 时，横向合力为向外的 拉力，细条自由后残余应力释放并向内侧弯（按文献［５］ 的规定，为负值）；当撕裂力 小于推力Ｆ。时，横向合 力为向内的推力，细条自由后则向外侧弯（正值）。 ３．２．４扭转 由上述实验结果可知，轧制状态、退火状态及矫 直后带材的全宽度试样，其边部和内部细条自由后均 未出现明显变形。细条没有发生挠曲，说明该部位沿 厚度方向的应力分布均匀或对称；细条没有出现侧 弯，则表明沿带材宽度方向上的纵向应力分布基本一 致；扭转是切取过程中细条边部受力引起的，蚀刻过 程没有增加细条应力。 ３．２分切过程受力分析 如图４所示，当撕裂力 大于推力 时，横向合 力 与剪切力Ｆ的合力为 ，边部细条自由后，出现 正方向的扭转（为正值）；当撕裂力 小于推力Ｆ 时， 边部细条自由后，出现负方向的扭转（为负值）。剪切 维普资讯 http://www.cqvip.com
３６ 有色金属加工 第３５卷 力一定时，扭转角的大小反映了推力和撕裂力的差 值，差值越大扭转越大。 用的合力为向外的拉力，试样内部拱起或凹陷程度较 小或没有，因而各部位分条后未见明显挠曲。 以上所述虽然是对剪切过程中带条边部受力的 简化分析，但其分析结论与表１中实测的挠曲、侧弯 向内的推力越大，内部拱起或凹陷程度越大，各 部位分条后挠曲越明显。这样的带材冲裁加工成零 和扭转的方向基本吻合。 刀片 毛刺向下 件后变形较大，即使这种变形是微小的，也可能造成 零件的报废或使用寿命的降低。因此，在分切过程 中，应合理控制边部受力特别是横向力。 ３．４分切试样不同细条宽度分条结果分析 边部细条越窄（即宽厚比越小），挠曲越明显，细 金属Ａ ．１ ｜ 条越宽，挠曲越小。如果边部和内部作为一个整体应 用，边部分切所受到的力会波及到带材的内部，冲制 成零件后，变形是不可避免的。零件越小，离边部越 金属Ｂ｜ ， 毛刺向上 近，则变形越大。 图２纵剪分切过程 ４ 结论 ①全宽度铜带材试样（Ｙ状态、Ｍ状态或矫直后） 边部和内部细条自由后均未出现明显变形，说明轧制 后带材应力分布比较均匀，退火制度合理、温度均匀， 矫直后残余应力分布均匀； 围３剪切区域与毛刺 ②纵剪分切过程中，边部受到剪切力、刀片的向 内推力和向外的撕裂力。剪切力引起挠曲，推力和撕 裂力的合力引起侧弯，三个力的合力引起扭转； ‘ ③向内的横向合力导致内部的挠曲，应设法减小 推力和撕裂力，或者使二者接近。边部剪切力对带材 内部有一定程度的影响，距边部越远，影响越小。 ， （・）带条边部受力 参考文献 ［１］田荣璋，王祝堂．铜合金及其加工手册［Ｍ］．长沙：中南大学出版社， ２ＯＯ２：５６５—５７１， 圈４分切过程带条边部受力分析及边部细条扭转方向 ３．３分切试样从边部向中心依次分条结果分析 ［２］邹家祥．轧钢机械［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９８９：２５３—２９５． 向外侧弯的试样，在剪切过程中，其边部所受的 ［３］木内学［日】．板、棒、管材残余应力理论分析及测定［Ｊ］．伸铜技术研 究会志，２ＯＯＯ，３９（１）：３ｏ一３６． 横向作用力的合力是向内的推力。如果剪刃间隙调 节不当，公切环与母切环配合不良，特别是有不均匀 间隙时，在两边内推力作用下，试样内部企图拱起或 ［４】三谷洋二，等［日］．铜及铜合金分条变形的测量方法［Ｊ］．伸铜技术 研究会志，２ＯＯＯ，３９（１）：３７—４４． ［５］路俊攀．铜及铜合金板带材分条变形测量方法探讨［Ｊ］．理化检验一 物理分册，２００４，４ｏ（３）：１３２—１３４． 凹陷，这种拱起或凹陷又受到上下切环的不均匀压 制，各部位分条后，表现为轻微的不均匀挠曲。 向内侧弯的试样，在剪切过程中，其边部横向作 ［６】路俊攀．铜及铜合金加工制品残余应力的测定方法［Ｊ］．无损检测， ２ＯＯ４．２６（１２）：６３３—６３７． Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｌｌｏｙ Ｓｔｒｉｐ ａｆｔｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｓｌｉｔｔｉｎｇ ＬＵ Ｊｉｍ—ｐａｎ （＂Ｌｕｏｙａｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｉ州．，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｒｅｒｎ，４７１０３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ ａｌｌｏｙｓ ｓｔｄｐｓ ａｆｔｅｒ ｅａｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｔｅｐ（ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ，ａｎｎｅａｌｉｎｇ，ｌｅｖｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｌｉｔｔｉｎｇ） 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 有色金属加工 ３７ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ”ｓｌｉｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ”ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｎ ｏｆｏ ｔｈｅ ｒｏｌｌｄ ｓｔｅｒｉｐ ｉｓ ｆａｉ ｕｎ－ｆＯ ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｍｏｖｅｄ ａｆｔｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｂａｓｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｌｉｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｓｌｉｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｔｅａｒｉｎｇ ｆｏｉｃｅｓ ｂｒｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｓｉｄｅ ｂｅｎｄ，ｔｈｅ ｔｗｉｓｔｉｎｇ ｉｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅｓｅ ｔｈｒｅｅ ｆｏｒｃｅｓ ｔｏｇｅｔｈｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｔ ｓｔｒｉｐ ｉｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｄ ｍａｓｈｉｎｇ ｏｆ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｓｌｉｔｔｉｎｇ ｒｉｎｇｓ．ｗｈ ｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｒ ｌａｔｅｒａｌ ｒｓｕ呛ｎｔ ｆｏｉｃｅ ｔｏｗａｒｄｓ ｉｎｔｅｄｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｅ：ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｃｏｐｐｅｒ ａｌｌｏｙ；ｓｈｅｅｔ ａｎｄ ｓｔｒｉｐ；ｓｌｉｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ａｎａｌｙｓｉｓ （上接第２ｌ页） Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ２４ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｂｙ ＡＣＰ—ＡＥＳ ＸＩＥ Ｌｉ—ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎ （Ｌｕｏｙａｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ Ｃｒｏｕｐ Ｃｏ．， ．，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ，４７１０３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｓｕｄｉｅｓ ｈｅ ｔａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ２４ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｂｙ ｈｅ ＩｔＲＩＳ ｔｙｐｅ ｉｎｄｕｃ１Ⅳ．ｅＩｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｅｍｉｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｒｅａｇｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｓｅｃｔｌｎｇ ｏｆ ａｎａｑｔ￣ｌ ｌｉｎｅ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｓ ｏｆｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｄｅｔｅｃｔｉｎ ｌｏｉｍｉｔ，ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｎ ｔｏｅｓｔｓ．Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｔｅｓｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ Ｉｓ ａ ｑｕｉｃｋ，ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｅ：ＩＣＰ－ＡＥＳ；ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ；ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｅｌｅｍｅｎｔ （上接第２５页） 由于氮气价格低，对大气无污染，不会危害操作 金板锭时，应将精炼气体改为氩气。 参考文献 ［１】陈丽霓，等．轻金属冶炼与环境保护［Ｍ】．沈阳：东化工学院出版社， １９９１． 人员的健康，而且能大批量处理铝液，净化过程中铝 液损失较少，因此在１ＸＸＸ、３ＸＸＸ、６ＸＸＸ等铝合金的 板锭生产中得到了广泛应用。但是，氮气精炼不能清 除铝液中的Ｃａ、Ｎａ等碱金属杂质，如将氮气与氯气混 ［２］天津大学无机化学教研室．无机化学［Ｍ】．天津：天津大学出版社， ｌ９８４． 合使用（体积比９：１），则不但能去除碱金属，而且除气 效果也更加理想。在生产罐体料和双零铝箔的铝合 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｔｏ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｍｅｌｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｊｉａ．－ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ－ｋｕｉ （Ｑｉｎ￣＝Ｂｒａｎｃｈ ｏｆ ＣＨＡＬＣＯ，Ｘｉｎｉｎｇ，Ｑｉｎｇｈ￣ｉ，８１００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ Ｉｔｒｎｄｕｃｅｓ ｔｏｈｅ ｏｒｉｇｉｎｓ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｇａｓ ｏｆ ｆｌａｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ Ｉｎｇｏｔ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｄｅｇａｓｓｌｎｇ ａｎｄ ｄｅｓｌａｇｇｌｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉａｔｃｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｌｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｄｕｃｔｉｏｏｎ ｏｆ ｆｌａｔ＝ｕｍｉｎｕｍ ａｌｋ）ｙ ｉｎｇｏｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌＩｏｙ；ｆｌａｔ Ｉｎｇｏｔ；ｎｉｔｒｏｇｅｎ；ｒｅｆｉｎｉｎｇ；ｄｅｇｅａｓｉｎｇ；ｄｓｓｌａｇｇｌｎｇ