銅導線冷拉拔過程中微觀組織及力學性能演化

閆 晨，胡 亮，李俊岳，李文莉，徐印輝，陳愛華

（1.江東合金技術有限公司，江蘇 南通 226000；2. 南京工程學院 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211167；3. 江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室，江蘇 南京 211167）

高速鐵路電纜主要是由導體材料、絕緣層、屏蔽層和護套層構成。其中導體材料是高速鐵路電纜“電能傳輸”的載體，其性能的好壞決定著高速鐵路電纜的質量[1-3]。相對于普通電線電纜而言，高速鐵路電纜具有技術含量高、適用條件較嚴格、附加值高的特點。而作為高速鐵路電纜核心部件的電纜導體材料，要求其具有優異的導電性能、抗氧耐磨和強韌匹配性能[4，5]。

本文通過銅導體在冷拉拔過程中微觀組織的演化行為和力學性能的變化特征來探索冷拉拔加工工藝對銅合金微觀組織和力學性能的影響。

1 試驗原料與方法

試驗所使用的試驗材料為T2純銅，其化學成分如表1所示。

表1 實驗原料化學成分

經過熔煉、成型后得到銅導體桿，隨后經過不同的冷拉拔道次制備出不同直徑的銅導線，導線直徑見表2。

表2 導線直徑

試樣的微觀組織形貌采用IE200M金相顯微鏡觀察；采用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機對試樣進行拉伸測試；采用維氏硬度計測試樣品的硬度。

2 結果與分析

2.1 銅導體在冷拔過程中組織演變

圖1為銅導體桿在冷拔過程中的微觀組織變化，其中圖1a為原始銅桿的微觀組織（1#試樣），可以明顯地觀察到試樣的低倍組織多為粗大而發達的柱狀晶，其晶界十分明顯，結晶以樹枝狀的方式生長，且晶粒粗大。圖1b為2#試樣微觀組織，在圖中可以明顯觀察到循變形方向呈拉長的純銅晶粒，且具有明顯的拉拔應變線和形變孿晶。拉拔變形量為53.2%的純銅試樣與原始試樣相比，其晶粒被明顯拉長變形并有部分破碎，呈現出不均勻性。其原因在于經退火工藝后的純銅試樣內部晶粒的位向是各不相同的，所以各晶粒的受力方向和大小也就不同，位向與拉拔方向一致的晶粒會首先進行滑移發生變形。因此可以說明晶粒的變形不是同時進行的，這就造成了拉拔過程中出現的晶粒不均勻性。圖1c為3#試樣的微觀組織，在圖中還是能隱約觀察到被明顯拉長變形的晶界和破碎的晶粒，不再保持原有的等軸形狀。圖1d為4#試樣的微觀組織，可以明顯觀察到晶粒、晶界進一步破碎和變形，試樣中已出現明顯的纖維狀組織。圖1e和f為5#和6#試樣的微觀組織，可以看到試樣組織的晶粒已經徹底破碎、分解，組織基本上已經細化，沒有晶界的存在，并且隨著拉拔變形量的進一步增大，其纖維組織變得更細、更直，橫向上的顆粒也逐漸變得模糊、消失。

2.2 銅導體在冷拔過程中力學性能變化

由圖2a試樣維氏硬度試驗的圖表數據可以大致看出，銅絲在冷拉拔過程中，當拉拔變形量小于55%時其硬度值隨變形的量增加而急劇增大，其原因主要是由于試樣在冷拉拔過程中粗大的晶粒逐漸變得細化、致密，產生了細晶強化的作用，因此可以通過減小晶粒尺寸即細化晶粒的方法來提高純銅試樣的硬度，從而改善其力學性能。

但當形變量大于55%時，硬度值隨變形量增大而出現略有下降的趨勢，其主要原因是由于拉拔變形量的繼續增大導致試樣中晶粒完全破碎，其組織也逐漸向纖維組織發生轉變，由于缺少了細晶強化的作用，所以導致試樣的硬度值略有下降。

圖1 銅導體在冷拔過程中組織演變

圖2 銅導體在冷拔過程中力學性能變化

當最終變形量達到90%時，由于選取的各個試樣之間的變形量相差不是很明顯，所以試樣的硬度值變化出現上下波動的現象，但是總體變化不大，呈緩慢上升的趨勢。由此可以得知銅絲在冷拔過程中的硬度值隨拉拔變形量的增大而呈增加趨勢。

圖2b為試樣拉拔過程中最大應力變化曲線可以明顯地觀察到試樣在拉拔斷裂時所能承受的最大應力會隨著拉拔變形量的增加而逐漸增大。當拉拔變形量接近于97%時，其最大應力值會到達最大值459MPa，說明當試樣拉拔變形量達到97%時存在最大抗拉強度，其值大約為460MPa。但再繼續增加變形量，可以發現其最大應力值會有所下降。

圖2c為試樣拉拔過程中應變率變化曲線，可以明顯地觀察到隨著拉拔試樣的變形量逐漸增加，其拉拔斷裂時的應變量也會逐漸增大。這說明銅絲在冷拔過程中隨著拉拔變形量的增加，其應變量也會隨之增大。出現這一變化規律的主要原因是試樣在冷拔過程中隨著變形量的增加，內部位錯會不斷產生并增殖，位錯運動受阻，導致試樣表面產生應變硬化層，這一結果是由形變強化的作用導致的。

3 結論

本文獲得主要結論如下：

（1）銅絲在冷拉拔過程中顯微組織的演化行為大致可以分為3個階段：當變形量小于55%時，純銅試樣初始的等軸粗大的晶粒被逐漸拉長、變形并破碎；當變形量為55%～90%時，隨著變形量繼續增大，破碎的晶粒組織逐漸向纖維狀組織轉變；當形變量大于90%時，纖維組織會隨著變形量進一步增大而變得更細、更直。

（2）銅絲在冷拉拔過程中硬度值的變化主要分為2個階段：當變形量小于55%時，隨著變形量增大其硬度值急劇升高，這是由于細晶強化和形變強化共同作用的結果；當形變量大于55%時，其硬度變化會出現不穩定的波動現象，但是總體變化不大，呈緩慢上升的趨勢。

（3）銅絲在冷拔過程中其抗拉強度和應變量會隨著拉拔變形量的增加而呈升高趨勢，并且材料的抗拉強度最高課達到460MPa，該過程中銅絲的斷面收縮率和伸長率這些塑性指標也會有所升高，從而使其力學性能得到改善。