約束式?jīng)_擊制備高強(qiáng)高韌工業(yè)純銅

王海麗 李小剛 胥珊娜 王奇 屈啟蒙

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710065）

銅及銅合金是重要的高導(dǎo)電材料，在一些既需要導(dǎo)電又需要承載的應(yīng)用場景，如電力開關(guān)中，還要求銅及銅合金具有高的強(qiáng)度[1]。高強(qiáng)銅合金的加工常還需銅及銅合金具有良好的塑性。

嚴(yán)重塑性變形[2]是提高金屬材料強(qiáng)度的有效途徑。通過大塑性變形，在金屬中引入大量的位錯活動，產(chǎn)生大量的位錯亞結(jié)構(gòu)以及晶界，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。嚴(yán)重塑性變形制備的金屬材料雖可達(dá)到很高的強(qiáng)度，但延伸率卻較低，難以進(jìn)一步加工。

研究表明，金屬材料中界面的空間特征分布，如小角晶界、大角晶界、孿晶界以及位錯胞的數(shù)量及占比，是控制金屬材料力學(xué)性能的關(guān)鍵[3]。尤其當(dāng)金屬材料中具有一定比例的軟區(qū)和硬區(qū)，即形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，將在材料中產(chǎn)生額外的背應(yīng)力加工硬化效應(yīng)[4]。

要使背應(yīng)力加工硬化效應(yīng)產(chǎn)生最佳效果，需要考慮以下因素[5]：

（1）由于背應(yīng)力是在區(qū)域邊界由位錯的堆積產(chǎn)生的，因而異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料需要高密度的區(qū)域邊界；

（2）由于背應(yīng)力是由幾何必須位錯產(chǎn)生的長程應(yīng)力，因此區(qū)域邊界的間距須足夠大，使邊界兩側(cè)的硬區(qū)與軟區(qū)中均發(fā)生有效的位錯堆積，或至少使軟區(qū)中發(fā)生有效的位錯堆積；

（3）在異質(zhì)區(qū)域間最大化應(yīng)變分配，以增加應(yīng)變梯度，產(chǎn)生背應(yīng)力加工硬化效應(yīng)。這要求區(qū)域間大的強(qiáng)度差，同時區(qū)域的幾何形貌須利于產(chǎn)生大的應(yīng)變分配。

根據(jù)以上設(shè)計原則，實驗發(fā)現(xiàn)異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)金屬中，當(dāng)約30%的層狀軟區(qū)鑲嵌在層狀硬區(qū)中時，硬區(qū)的剛性約束可使軟區(qū)強(qiáng)度提高到與硬區(qū)同等水平，產(chǎn)生高強(qiáng)度，同時，強(qiáng)的應(yīng)變分配產(chǎn)生高的應(yīng)變硬化，導(dǎo)致高塑性[6]。

低溫下動態(tài)塑性變形制備的中低層錯能納米結(jié)構(gòu)金屬，常具有孿晶、剪切帶、納米晶的混合組織[7]。為避免嚴(yán)重塑性變形中產(chǎn)生單一的位錯結(jié)構(gòu)，本工作在可約束樣品的模具中，在室溫下使用反復(fù)高速沖擊的方法，使中等層錯能的純銅發(fā)生塑性變形，利用上述背應(yīng)力加工硬化效應(yīng)獲得了高強(qiáng)高韌工業(yè)純銅。

1 試驗過程①

1.1 試驗材料

采用T3工業(yè)純銅，成分如下：

表1 T3工業(yè)純銅成分（單位：wt.%）

1.2 樣品制備

首先將直徑為8.0 mm，厚度為15.0 mm 的T3 工業(yè)純銅在900℃下退火2 小時，得到組織與成份均勻的樣品。隨后將圓柱樣品放在圖1所示的模具中，室溫下使用鋼錘自由落體的方式?jīng)_擊試樣。鋼錘材質(zhì)為正火態(tài)45 鋼，重量為20 kg，自由落體高度為2 m。經(jīng)過20 次的沖擊，試樣直徑變?yōu)椤?2 mm，高度變?yōu)?.0 mm。

對比試樣使用相同的粗晶工業(yè)純銅，在工作輥直徑為50 mm的四輥軋機(jī)制備。室溫下經(jīng)過10道次的軋制，將厚度為15 mm 的T3 銅板軋至2.0 mm。軋制過程使用礦物油作為工藝潤滑劑。

圖1 沖擊模具示意圖(1)沖模(2)凹模(3)試樣(4)墊片

1.3 拉伸測試

拉伸試驗采用新三思10kN電子萬能試驗機(jī)，型號CMT4104，拉伸試樣標(biāo)距為5.0 mm，應(yīng)變速率為10-3/s。

1.4 微觀組織觀察

在0℃下，w（C2H5OH）=10%的磷酸溶液中將樣品截面電解拋光1min，電流密度0.1A/cm2。在金相顯微鏡(Leica DMi8)和掃描電鏡(FEI Nova-nano)下觀察微觀組織。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 微觀組織

工業(yè)純銅的粗晶組織如圖2 所示，晶粒尺寸～500 mm。圖3 為沖擊后工業(yè)純銅的微觀組織，圖中除了可以看到?jīng)_擊變形導(dǎo)致的細(xì)小層片組織外，還存在部分尺寸～5 mm 的等軸晶粒，是一種具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織。圖4為冷軋后工業(yè)純銅的微觀組織，為均勻的細(xì)小層片狀組織。

圖2 900℃退火2 h后工業(yè)純銅的粗晶組織金相照片

2.2 力學(xué)性能

圖5為動態(tài)沖擊和冷軋后T3工業(yè)純銅的拉伸力學(xué)性能。總壓下率為87%的工業(yè)純銅，經(jīng)動態(tài)沖擊后，抗拉強(qiáng)度sb達(dá)到～565 MPa，均勻延伸率du達(dá)到～22.5%。而同等壓下率條件下，冷軋樣品的抗拉強(qiáng)度sb為～323 MPa，均勻延伸率du為～7.6%。

圖3 動態(tài)沖擊后，變形量為0.87的工業(yè)純銅微觀組織的掃描電鏡照片

圖4 變形量為0.87的工業(yè)純銅冷軋微觀組織掃描電鏡照片

圖5 動態(tài)沖擊與冷軋工業(yè)純銅的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于在拉伸過程中，樣品截面積發(fā)生明顯的變化，工程應(yīng)力s與應(yīng)變e需轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力S與真應(yīng)變e才能反映樣品的真實力學(xué)性能。在均勻變形階段，真應(yīng)力S、真應(yīng)變e 與工程應(yīng)力s、工程應(yīng)變e 的關(guān)系為[8]：

試樣開始頸縮后，公式（1）和公式（2）便不再適用。真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上判斷頸縮的判據(jù)為：

即，當(dāng)加工硬化率與真應(yīng)力相等時，發(fā)生頸縮。即S-e 曲線與加工硬化率隨應(yīng)變的變化曲線的交點為頸縮點。

圖7 加工硬化指數(shù)的確定

真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6 所示。動態(tài)沖擊后，工業(yè)純銅的真實抗拉強(qiáng)度為741 MPa，頸縮開始應(yīng)變?yōu)?0.2%，而冷軋后的真實抗拉強(qiáng)度為350 MPa，頸縮開始應(yīng)變?yōu)?.9%。真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的塑性變形階段一般可用Holloman-Ludwig指數(shù)方程描述：

其中K為強(qiáng)度系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。根據(jù)公式(4)，有：

因而，n 值可以通過線性擬合對數(shù)坐標(biāo)系中S-e的塑性變形部分得到，如圖7所示。

動態(tài)沖擊后，工業(yè)純銅的應(yīng)變硬化指數(shù)為1.99，而冷軋工業(yè)純銅的應(yīng)變硬化指數(shù)為0.48。應(yīng)變硬化指數(shù)的差別，表明動態(tài)沖擊后樣品具有不同的加工硬化機(jī)制。大的加工硬化指數(shù)說明動態(tài)沖擊制備的工業(yè)純銅具有更好的均勻變形能力，這將有利于提高材料的可加工性。

3 結(jié)論

（1）本工作中，動態(tài)沖擊工業(yè)純銅的抗拉強(qiáng)度達(dá)到741 MPa，均勻延伸率為20.2%，而冷軋工業(yè)純銅的抗拉強(qiáng)度為350 MPa，均勻延伸率為7.9%。

（2）動態(tài)沖擊工業(yè)純銅的加工硬化指數(shù)為1.99，而冷軋工業(yè)純銅的指數(shù)為0.48。

（3）通過動態(tài)沖擊，可以使工業(yè)純銅獲得高強(qiáng)度，同時保持良好的塑性。