淺談冷變形量對QBe2合金時效析出的影響

韓明達 邢美山 李文亮

（寧夏中色新材料有限公司鈹銅分廠，寧夏 石嘴山 753000）

鈹青銅是以鈹為基本合金元素的銅基合金材料，它具有較高的強度、硬度和彈性極限，彈性滯后小、彈性穩(wěn)定性好，并且具有耐疲勞、耐腐蝕、無磁性以及高導(dǎo)熱導(dǎo)電性的特性，受沖擊時不產(chǎn)生火花，承受冷熱壓力加工的能力很強，具有良好的綜合性能。因此，廣泛應(yīng)用于電子通信、航空航天、石油化工、冶金礦山、精密儀器和儀表制造等多種領(lǐng)域，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟建設(shè)中不可缺少的重要功能材料[1-3]。

該文通過對QBe2合金冷軋加工變形實驗進行研究，可以直接契合對該合金變形規(guī)律的研究，揭示該合金在冷軋加工的條件下金屬的變形規(guī)律，分析該合金延展軋制加工時的特征，配合分析不同時效工藝下材料析出的研究，為制定和優(yōu)化該合金鈹青銅冷軋的加工工藝提供相關(guān)理論根據(jù)和技術(shù)支撐。

1 檢驗方法與設(shè)備

該文分析用到的材料為某公司生產(chǎn)用產(chǎn)品。

微觀組織和晶粒度采用GX51-OLYMPUS金相顯微鏡進行觀察；顯微硬度采用HVS-50/HVS-50A型數(shù)顯維氏硬度計；拉伸采用50 kN電子萬能材料拉力試驗機。

在實驗過程中，對有制樣要求的檢測過程，須嚴(yán)格按照檢測要求進行取樣、制樣。

2 分析與討論

冷變形加時效強化是一種增強合金導(dǎo)電率和強度的重要方法，合金經(jīng)時效處理后冷變形，材料組織和性能都會受到一定的影響，不僅可以調(diào)整材料的尺寸大小，而且還可以提高合金的強度[4]。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場積累的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，該文的冷變形采用的加工率分別為30%、40%和50%。

2.1 原始顯微組織及力學(xué)性能分析

取樣，觀測其微觀組織，如圖1所示。

在加工過程中，隨著加工率的增加，材料會出現(xiàn)加工硬化的現(xiàn)象，這種情況通常被認為與位錯的交互作用有關(guān)[5]。從圖1可以看出：在外力的作用下，晶粒的形狀隨著材料被“拉長”，其內(nèi)部晶粒的形狀也被拉長、壓扁。當(dāng)變形量達到50%時，基本形成了纖維組織。

在不同冷變形量下，取樣檢測其物理性能，結(jié)果見表1。

通過表1可以看出，隨著變形量的增加，位錯密度也會增加，晶粒破碎成為亞晶粒，晶格產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，增大了材料進一步滑移的阻力，因此，金屬的強度和硬度顯著提高，塑性的韌性明顯下降，產(chǎn)生形變強化[6]。

表1 冷加工物理性能

鈹青銅固溶淬火后必須經(jīng)過時效處理才能獲得優(yōu)良的性能。時效過程是過飽和的α固溶體共格脫溶的過程，其強化效果取決于時效析出的γ相形貌。當(dāng)時效溫度一定時，過長的時效時間會引起強化相聚集，降低強化效果；當(dāng)時效時間一定時，提高時效溫度能加快時效過程，但時效溫度過高會促使時效析出物呈塊狀聚集，降低強化效果。時效溫度和時效時間的最佳組合才能獲得良好的時效強化效果。

2.2 時效析出過程的影響分析

鈹青銅時效過程的顯著特點是在晶界處發(fā)生不連續(xù)脫溶和再結(jié)晶。不連續(xù)脫溶是一種類似珠光體轉(zhuǎn)變的兩相式分解，即從過飽和α固溶體中析出γ1相的同時，相的成分立即轉(zhuǎn)變成接近飽和狀態(tài)的成分，即形類似珠光體的兩相組織，并由晶界向晶內(nèi)長大。

因為晶界的不連續(xù)析出受時效前的冷變形的影響大，冷變形對晶界的析出產(chǎn)生阻礙作用，使晶界處析出物的數(shù)量越來越少。這是因為冷變形處理改變了沉淀的分布狀況，導(dǎo)致析出相分布不均，材料強度也增加了，所以晶界處析出物的數(shù)量就會減少[7]，結(jié)合現(xiàn)場實際，確定后續(xù)方案見表2。

共計6組實驗，完成實驗后，取樣檢測其顯微組織，結(jié)果如圖2所示。

通過表2并結(jié)合圖2的金相檢測結(jié)果可知：合金析出這種組織的條件，首先依賴于時效溫度的變化。時效溫度較低時，時效析出物在晶內(nèi)均勻分布，晶界析出物無明顯聚集。當(dāng)時效溫度逐漸升高時，晶界處明顯變寬，局部區(qū)域出現(xiàn)塊狀析出物。當(dāng)時效溫度進一步升高時，晶界寬化加劇，塊狀析出物明顯增多。

表2 實驗方案

經(jīng)時效處理（時效溫度為330 ℃且保溫時長為3 h）后，晶界析出依然不多；經(jīng)330 ℃× 3 h時效處理后，晶界析出的數(shù)量與在時效溫度為330 ℃且保溫時長為2 h的時效后無冷變形的情況下晶界析出數(shù)量的差異不大，因此冷變形能有效減少Q(mào)Be2合金晶界析出的數(shù)量。圖2（e）與圖2（f）是經(jīng)時效處理（時效溫度為330 ℃且保溫時長為2 h、時效溫度為330 ℃且保溫時長為3 h）后，50%冷變形的顯微組織，可以清晰地看到晶內(nèi)出現(xiàn)了滑移線條，且數(shù)量巨大。隨時效溫度不斷增加和時效時間逐漸延長，晶內(nèi)沿滑移線析出的數(shù)量越多。

圖2 QBe2合金形變時效后微觀組織形貌

在金相觀察時，鈹青銅固溶后殘存的β相，經(jīng)冷軋后被軋碎成許多細小的顆粒，由于β相不易腐蝕，在顯微鏡下觀察時呈白色，其界面呈黑圈。當(dāng)放大倍數(shù)低時，看不出有白點，就呈現(xiàn)出上述黑色組織，從而導(dǎo)致誤判。

在沉淀過程中，靠近母相溶質(zhì)的濃度沉淀，于是沉淀相產(chǎn)生。當(dāng)過冷度較小時，就會發(fā)生局部沉淀。沉淀相與母相可能會形成共格或半共格界面，共格時以圓形或方形顆粒狀析出，不共格時沉淀相呈球狀或等軸狀。沉淀相與母相有取向關(guān)系，呈條狀，按交角分布。不連續(xù)沉淀時形成γ相與飽和的α固溶體兩相耦合成長。γ相與晶核同生長，形成胞狀物，而胞狀物內(nèi)的α相將再結(jié)晶。

合金經(jīng)冷變形后晶粒不斷被拉伸，位錯密度也不斷上升，冷軋工后再作時效處理，析出物更易形核清，于是生核處位錯線就逐漸消失，也正是生核處位錯線的消失，使消失的這部分能量轉(zhuǎn)化為相變驅(qū)動力，反而會加快生核速度。如果新相在母相上成核后，母相的位錯線仍然存在，那么相界面所需要的能量會下降，而界面上形成半共格界面的位錯部分依然會加速成核[8]。溶質(zhì)原子容易形成科垂?fàn)枤鈭F，它通常是因偏聚在刃形位錯上而形成的，除此之外，還會在擴展位錯的層錯區(qū)偏聚形成鈴木氣團，為新相提供成分起伏的條件，非常有利于新相的形成。由此可知，經(jīng)冷變形后再進行時效處理，可加快時效析出的速度。位錯成核的規(guī)律如下：1） 位錯上易成核。2） 在位錯割階處核易生成。3） 在單獨位錯上核更易生成。4） 位錯布氏矢量越大越易成核。5） 由于位錯的影響，在刃形位錯結(jié)處易生核，因此為了加快新相的析出速度，需要在時效前進行冷變形[6]。

綜上所述，可以得出結(jié)論：晶界的不連續(xù)析出受時效前的冷變形的影響大，冷變形對晶界的析出產(chǎn)生阻礙作用，使晶界處析出物的數(shù)量越來越少。因為冷變形處理改變了沉淀的分布狀況，導(dǎo)致析出相分布不均，加快了材料強度上升的趨勢 ，所以晶界處析出物的數(shù)量就會減少。如圖3所示。

圖3 QBe2.0合金形變時效后微觀組織形貌

形變時效處理是提高鈹青銅硬度的重要途徑之一，優(yōu)選冷變形度、時效溫度和時效時間可以獲得最高硬度。對大加工率下冷變形后的鈹青銅經(jīng)一定條件下的時效處理后，具有較高的硬度、彈性、導(dǎo)電性、形狀尺寸穩(wěn)定性、抗應(yīng)力松弛性以及良好的綜合性能。

3 結(jié)論

從實驗可知，當(dāng)冷變形量達30%時進行時效處理，晶界無析出，再繼續(xù)進行冷變形，晶內(nèi)出現(xiàn)位錯線，且數(shù)量大；因為晶界無析出，繼續(xù)冷處理，析出相生核后不斷地析出，通過顯微鏡能清晰地觀察晶粒內(nèi)部的現(xiàn)象。因此為了加快新相的析出速度，可在時效前進行冷變形。

鈹青銅的過飽和固溶體的分解過程就是時效強化的過程，在晶界處發(fā)生的不連續(xù)脫溶，可以有效降低冷處理產(chǎn)生的壓力，從而提高合金的硬度、強度和化學(xué)性能，使材料具有更高的塑性、導(dǎo)電率。在該實驗的條件下進行試驗（時效溫度為330 ℃且保溫時長為3 h），得到理想中的最大抗拉強度；時效過程中沿晶界不連續(xù)析出點狀β相使合金力學(xué)性能進一步提高。

在該實驗的條件下通過正交試驗，得出在QBe2合金的冷變形時效工藝為冷變形量為40%、時效溫度為330 ℃且保溫時長為3 h時，可獲得最佳的狀態(tài)。