連續擠壓純銅扁線的不均勻組織與性能

王 昕，薛俊鵬，李博軒，李洪曉，任玉平，楊緒清，楊立山

（1.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819；2.東北大學 材料科學與工程學院，沈陽110819；3.沈陽宏遠電磁線股份有限公司，沈陽110144；4.機械工業繞組線工程研究中心，沈陽110144）

純銅線材的性能通常受晶粒尺寸、織構及退火孿晶界或其他重合點陣晶界（Coincidence Site Lattice，CSL）等顯微組織的影響較大.如退火孿晶界（∑3晶界）等低指數的CSL晶界具有較低的晶界自由體積及自由能［1］，對電子的散射作用較小［2－3］，其體積分數的升高會提高晶體的導電性能.同時，不同的織構類型對純銅的塑性變形能力影響較大［4－5］，如在純銅的動態拉伸擠壓［6］過程中會產生＜001＞+＜111＞混合雙絲織構.當＜001＞取向強度增大時，塑性增加；＜111＞取向強度增大時，塑性下降.

在純銅扁線的工業生產中，連續擠壓技術由于具有生產方式簡單、產品精度高及產量大等特點而被普遍應用.但連續擠壓過程中的金屬熱變形情況十分復雜，對于應用連續擠壓技術生產純銅及銅合金線材的研究大多側重于連續擠壓過程中組織性能的演變，在這種演變中，純銅在剪切應力的作用下從直角彎曲區進入到擴展成型區時變形速度降低，在黏著區出現的剪切帶中有部分細小的晶粒先發生了再結晶［7］；CuCr合金在連續擠壓過程中的晶粒變形受不同區域位置影響較大［8］；此外，H62黃銅［9］在較快的擠壓輪轉速（13 r／min）下，定徑帶處中心的溫度高于邊部約114℃，中心的等效應變速率低于邊部約41 s－1.以上研究表明純銅及銅合金連續擠壓扁線在成型過程中存在溫度及變形程度不均勻的情況.擠壓過程的不均勻性會導致擠壓產品的組織不均勻，如在4 r／min的轉速擠壓后，CuCrZr合金有微米－亞微米級別的混晶組織［10］；連續擠壓黃銅棒產品的組織在邊部位置處晶粒更細，中心位置處晶粒粗大，即出現了分層的不均勻組織［11－12］，邊部位置和中心位置出現的這種組織差異是金屬的流動狀態不同造成的［13］.總之，組織的不均勻性會進一步導致材料性能的不均勻，純銅線材組織的差異會很明顯地影響產品的使用性能.在上述觀察到不均勻組織的研究中，并未對出現的不同組織和對應的性能進行深入分析.

本文主要通過EBSD技術對連續擠壓純銅扁線的邊部位置和中心位置進行組織分析，結合不同位置的室溫拉伸性能和導電性能測試，探究純銅線材微米尺度的混晶組織特征，討論連續擠壓純銅扁線的不均勻組織（晶粒尺寸分布差異、特殊晶界分布差異及再結晶程度差異等）對產品線材整體性能的影響，用于指導實際生產.

1 實驗方法

本實驗所需樣品均在沈陽宏遠電磁線有限公司的銅線加工廠進行生產制備：由上引連鑄得到的Φ12.5 mm的高純無氧銅桿（w（Cu）＞99.99%，w（O）＜3×10－4），經連續擠壓機擠壓成型，得到具有矩形截面的1.75 mm×6.5 mm銅扁線產品.

性能測試：按照圖1的方式和圖2的尺寸截取樣品；在不同的位置分別取寬度為1 mm、長度為100 mm的試樣，打磨光亮以去除表面氧化皮；在（20±1））℃的環境溫度下用米電阻測量儀測出樣品的電阻，測三次后取平均值；用AG-X100 kN型電子萬能材料試驗機；進行拉伸性能測試，應變速率均為10－3s－1，溫度為（20±1）℃，試樣尺寸如圖2所示，測三次后取平均值，測量時使用引伸計，將引伸計應變近似為試樣延伸率.

圖1 試樣截取Fig.1 Sample selection

圖2 組織分析及性能測試試樣Fig.2 Microstructure observation and performance testing sample

組織分析：將線材產品切成長為8 mm的試樣，分別截取邊部和中心位置，依次進行打磨、機械拋光、氬離子拋光（拋光參數為5 V／30 min+3 V／15 min），采用配有Oxford HKL Channel 5 EBSD系統的JSM-7800F型場發射掃描電鏡對銅扁線進行顯微組織觀察；用JEM-2100F型場發射透射電鏡觀察孿晶形貌及邊部位置、中心位置晶粒內部的位錯組態，對試樣進行雙噴減薄，參數為12 V+（－30℃），雙噴液為硝酸甲醇溶液.

2 實驗結果

2.1 連續擠壓純銅扁線的EBSD觀察

2.1.1 晶粒形貌和大小角度晶界

用EBSD技術將普通大角度晶界（取向差＞15°且除去CSL等特殊取向差的晶界）進行重構，如圖3黑色線所示.圖3（a）表示中心位置，其晶粒大小分布不均勻，細小晶粒聚集分布，周圍由大晶粒包圍，整體呈等軸狀.圖3（b）表示邊部位置，其晶粒尺寸整體偏大，大部分晶粒的等軸狀不明顯.通過普通大角度晶界計算出中心和邊部位置的平均晶粒尺寸分別為31.2，40.3μm.圖中灰色線表示小角度晶界，中心的體積分數為17.8%，小部分聚集分布，大部分在晶粒內部將大晶粒分割；而邊部的體積分數為71.1%，在大部分聚集分布的同時，很少能將大晶粒分割，但有形成單條晶界的趨勢，如圖3（b）中箭頭所示.

圖3 普通大角度晶界（黑色）與小角度晶界（灰色）Fig.3 General large angle grain boundary（black）and low angle grain boundary（gray）

2.1.2 退火孿晶界及CSL晶界

用EBSD技術觀察不同位置的退火孿晶界，如圖4所示（灰色線）.很明顯中心的退火孿晶界體積分數較大，具有貫穿型、半貫穿型、起止于晶粒內部等多種不同形貌的孿晶，在晶粒內部將大晶粒分割成立了更小的晶粒；邊部的退火孿晶體積分數較少，且分布不均勻，相對難以將晶粒有效分割.

圖4 退火孿晶界Fig.4 Annealing twin boundary

同時標出不同的CSL晶界，如圖5所示，黑色線對應CSL晶界，灰色線對應普通大角度晶界，各自的體積分數在表1列出.表1中含有其他CSL晶界類型，中心位置小于∑29的低指數晶界體積分數為50.09%，其中對應退火孿晶界的∑3晶界體積分數為44.80%；邊部位置小于∑29的低指數晶界體積分數為19.07%，其中對應退火孿晶界的∑3晶界體積分數為17.69%.

表1 CSL晶界體積分數統計Table 1 Statistics of CSL grain boundary volume fraction %

圖5 CSL晶界Fig.5 CSL grain boundary

由于退火孿晶界及其他CSL晶界均為特殊的大角度晶界，因此對晶粒本身起到一定的分割作用，在這個基礎上統計得出中心的平均晶粒尺寸為4.82μm，邊部為5.42μm.進一步統計可知，邊部位置小于平均晶粒尺寸的晶粒含量為75.5%，中心位置為48.5%，整體呈微米級混晶分布，但邊部的晶粒尺寸范圍較大，中心的晶粒尺寸范圍較小，表示中間位置的晶粒更均勻，大部分晶粒的實際尺寸更接近平均晶粒尺寸.

2.1.3 動態再結晶與織構

如圖6（a）所示，中心位置的晶粒主要由已完全發生再結晶的晶粒（白色）及處于回復過程中的晶粒（灰色）兩部分組成，分別占48.85%和49.29%，僅有1.86%的晶粒屬于完全變形晶粒（黑色），對應圖7（a）的區域取向差分布中灰色及白色位置，這部分晶粒的應力較為集中.而圖6（b）邊部位置的絕大部分晶粒未發生完全再結晶，其中處于回復階段的晶粒（灰色）體積分數為51.48%，仍處于變形狀態下的晶粒（黑色）體積分數為44.66%，僅有3.86%的晶粒（白色）完成了動態再結晶，對應圖7（b）區域取向差分布中灰色及白色的位置面積較大，表示該處的畸變程度大、內應力大.

圖6 再結晶分布與統計Fig.6 Recrystallization distribution

圖7 區域取向差分布Fig.7 Local misorientation

在純銅連續擠壓的過程中，尤其是經過模具的最后出線階段，眾多晶粒的取向在變形時發生了擇優分布.采用EBSD技術進行顯微織構分析，如圖8所示，中心位置的晶粒發生完全再結晶的程度較大，小部分晶粒仍處于一定的變形狀態.極圖中X0方向為變形方向，大多數晶粒在變形面上逐漸體現出了｛112｝的面取向.在反極圖中，晶粒的＜111＞取向明顯且集中，所以在動態再結晶之后，中心位置獲得了相對較強的｛112｝＜111＞銅型織構，但部分晶粒也具有＜001＞取向，這主要是因為有部分的晶粒完成了再結晶，形成了部分具有立方織構的等軸晶.

圖8 中心位置極圖與反極圖Fig.8 Polar and reverse polar figures of the center position

相比之下，邊部位置的變形晶粒占比較多，＜111＞絲織構已經開始向＜112＞絲織構發生偏轉，因為再結晶程度相對較低，因此幾乎沒有立方織構，強度較弱，如圖9所示.

圖9 邊部位置極圖與反極圖Fig.9 Polar and reverse polar figures of the edge position

2.2 連續擠壓純銅扁線的TEM觀察

如圖10所示，在TEM觀察下，中心位置的大晶粒內部的位錯通過纏結成為位錯密度較大的位錯墻，在動態再結晶的后續過程中逐漸成小角度晶界和大角度晶界，這一現象已經有很明顯的趨勢，較大晶粒在這種動態再結晶的過程中得到細化，逐漸成為更小的等軸晶.

圖10 TEM圖像Fig.10 TEM images

在邊部位置的晶粒內部，位錯逐漸開始纏結，這些以位錯胞等為主要單元的位錯結構容易形成大量小角度晶界，形成的位錯結構寬度和位錯密度明顯小于中心位置，且在晶界處僅存在不太明顯的位錯塞積.

2.3 室溫拉伸性能及室溫電導率

如圖11所示，三種試樣均有明顯的加工硬化現象，完整線材的屈服強度介于邊部位置和中心位置之間，且邊部位置的屈服強度低于中心位置約7 MPa；完整線材的抗拉強度卻高出邊部和中心位置11 Mpa左右.同時，邊部位置的延伸率約為32%，中心位置約為30.5%，均小于完整線材的39.5%.

圖11 真應力-應變曲線及強度統計Fig.11 The curve of true stress-strain and Strength statistics

同時，使用米電阻測量儀測得不同試樣的導電性能，并通過式（1）計算電導率：

式中：ρ（標準退火銅）為標 準退 火 銅的 電 阻率，取1.7241×10－8Ω·m；ρ為 所 測 材 料 電 阻率，Ω·m.

顯然，邊部位置和中心位置的線材電導率相差較大，完整線材的電導率介于二者之間，如表2所示.

表2 不同位置的電導率Table 2 Conductivity of different positions%IACS

3 討 論

3.1 顯微組織對室溫拉伸性能的影響

普通大角度晶界將晶粒分割后，晶粒尺寸較大，中心約為31.2μm，邊部為40.3μm，然而在退火孿晶界及其他CSL晶界的分割作用下，晶粒分別細化為4.82，5.42μm，根據Hall-Petch關系，晶粒的細化會使晶體的強度提高，如式（2）所示.

式中：σs表示線材的屈服強度，MPa；σ0為常數，其值等于該條件下極大單晶的屈服強度，取20 MPa［14］；ky為常數，反映晶界對變形的影響，取140 MPa·μm－1／2［14］；d表示線材的平均晶粒尺寸，μm.

代入邊部和中心位置的平均晶粒尺寸d可得理論屈服強度分別為92.29，93.61 MPa，與實測的100.31，107.03 MPa相比分別差約8 MPa（8.67%）和15 MPa（16.02%）.

形成這種組織的主要原因是整體晶粒較不均勻，邊部位置和中心位置小于平均晶粒尺寸的晶粒比例分別為75.5%和48.5%.這種小晶粒含量相對較大的微米級混晶組織提高了強度，而邊部的晶粒尺寸范圍較大，中心的晶粒尺寸范圍較小，中間位置的晶粒更均勻，大部分晶粒的實際尺寸更接近平均晶粒尺寸，這樣即使中心位置的小晶粒占比略低于邊部位置，但更均勻的組織保證了其強度.

這種由不同微米級混晶組織所構成的具有梯度復合特征的完整線材，其強度介于邊部位置和中心位置的強度之間，實際屈服強度為101.61 MPa，比同樣平均晶粒尺寸的退火態銅的理論屈服強度提高約8 MPa（8.54%）.

此外，邊部位置主要由＜112＞絲織構構成，中心位置主要由＜111＞絲織構和＜001＞絲織構構成，這種混合織構在協調變形時由＜111＞織構主導（即｛112｝＜111＞銅型織構），其中＜111＞取向的晶粒中胞狀結構明顯，對位錯運動的阻礙較大，塑性性能較差，但強度提高［6，15］.

如圖12和圖13所示，從施密特因子分布上（顏色越淺表示施密特因子越大）可以看出，邊部位置的晶粒軟取向的占比較大，中心位置的占比較小，施密特因子大于0.35的體積分數分別為95%，89.6%.

圖12 邊部位置施密特因子分布及統計Fig.12 Distribution and statistics of Schmid factor of edge position

圖13 中心位置施密特因子分布及統計Fig.13 Distribution and statistics of Schmid factor of center position

邊部和中心位置的織構差異和不同的微米級混晶特征使線材整體的延伸率提高8%，可以認為連續擠壓的不均勻過程所制備的不均勻產品類似于梯度復合材料［16］，這種分層模糊的梯度復合線材在變形時邊部位置和中心位置相互協調，在保證強度的同時使塑性有所提高.

3.2 顯微組織對室溫電導率的影響

純銅線材的導電性能與特殊晶界（CSL）相關［3，17］，不同程度的退火或熱加工會產生不同種類和體積分數的CSL晶界［18］.由于連續擠壓過程邊部和中心位置的動態再結晶程度不同，故中心位置的特殊晶界體積分數要高于邊部位置，且高指數的CSL晶界（＞∑29）的體積分數低于邊部位置.這種低指數的特殊晶界對電子的散射作用較小，尤其是∑3晶界，當其體積分數升高時對整體的導電性能有一定提升.如表3所示，中心位置不含∑3晶界的低指數CSL晶界體積分數為5.29%，高于邊部位置的1.19%，低指數CSL晶界中較高體積分數的∑9及∑27晶界將會在動態再結晶的過程中和∑3晶界相互反應生成更高體積分數的∑3晶界［19］，能進一步實現晶界結構的有序化，降低對電子的散射能力.

表3 不同位置的CSL晶界體積分數統計Table 3 Statistics of CSL boundary volume fraction at different positions %

本實驗中特殊晶界體積分數的差異使得線材邊部位置比中心位置電導率低1.7%IACS，整體線材的電導率為100.1%IACS.

除此之外，中心位置較高程度的再結晶會消除晶粒內的缺陷，如降低點缺陷濃度、恢復晶格的完整性，從而減小對電導率的影響，通常在回復階段點缺陷的濃度已經大幅度降低，導電性能可以較大幅度提升.位錯密度也是造成導電性能不同的原因，位錯密度較大，電導率降低［20］.邊部的位錯聚集，密度較大，體現為小角度晶界體積分數較高，為71.1%，而中心小角度晶界體積分數僅為17.8%，同時中心位置的位錯組態更傾向于位錯墻，對電子的散射作用更接近于晶界.

因此，連續擠壓技術生產的純銅扁線相當于中心和邊部特殊晶界體積分數不同、位錯密度不同、再結晶程度不同的梯度復合線材，其導電性能受到不同部位的特征組織影響.

4 結 論

（1）連續擠壓的純銅扁線產品存在邊部位置和中心位置組織分層的現象，這種分層組織使得整體線材類似梯度復合材料，即由兩種界面難以區分的梯度材料復合.

這種梯度復合特征體現在：邊部位置小于平均晶粒尺寸的晶粒體積分數為75.5%，中心位置小于平均晶粒尺寸的晶粒體積分數為48.5%，整體呈微米級混晶分布；邊部位置的再結晶程度小（3.86%），中心位置的再結晶程度大（48.85%）；邊部位置的退火孿晶界體積分數（17.69%）低于中心位置（44.80%），邊部位置的低指數CSL晶界體積分數（18.88%）低于中心位置（50.09%）；邊部位置的織構類型為＜112＞絲織構，而中心位置為＜111＞和＜001＞絲織構.

（2）整體線材的性能會受到這種梯度復合組織的影響.邊部的＜112＞絲織構和中心的＜111＞+＜001＞雙絲織構在變形的過程中相互協調，在不同的微米級混晶狀態下，使整體線材的延伸率提高7.5%（邊部32%，中心30%），強度提高了8.54%（邊部提高8.67%，中心提高16.02%），這表示盡管組織具有一定的不均勻性，但對材料的強度和塑性有利.退火孿晶體積分數的不同（邊部17.69%，中心44.80%），使邊部的電導率低于中心1.7%IACS，即這種梯度復合線材的電導率受不均勻組織的影響較大.