張祥凱，楊續(xù)躍, 2

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硅元素對(duì)超細(xì)晶黃銅力學(xué)性能及退火行為的影響

張祥凱1，楊續(xù)躍1, 2

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410083)

通過XRD、TEM、EBSD以及拉伸試驗(yàn)研究硅元素對(duì)超細(xì)晶黃銅力學(xué)性能和退火行為的影響。將Cu-20Zn和Cu-20Zn-1.2Si合金在液氮溫度(約?196 ℃)下進(jìn)行軋制并進(jìn)行退火處理。結(jié)果表明：與液氮軋制后Cu-20Zn合金相比，液氮軋制后Cu-20Zn-1.2Si合金的強(qiáng)度顯著提升，這是因?yàn)榧尤氲墓柙厥沟脤渝e(cuò)能降低，使其變形后具有細(xì)小的晶粒以及較高的位錯(cuò)和孿晶密度。Cu-20Zn-1.2Si合金熱穩(wěn)定性的提升源自層錯(cuò)能(SFE)的降低以及硅原子與位錯(cuò)的相互作用，使得其內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻。退火后的Cu-20Zn-1.2Si合金優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性能源自其組織內(nèi)部細(xì)小的晶粒、形變孿晶以及大量的退火孿晶和HAGBs的共同作用。

銅合金；層錯(cuò)能；力學(xué)性能；孿晶；退火行為

Cu-Zn系合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的電導(dǎo)率以及較高的耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于電子和機(jī)械等領(lǐng)域[1]。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說，強(qiáng)度和塑性是尤為重要的兩個(gè)性能指標(biāo)[2]。細(xì)化晶粒通常能夠提高金屬材料的強(qiáng)度。劇烈塑性變形(Severe plastic deformation, SPD)作為一種能夠制備超細(xì)晶材料而受到了廣泛關(guān)注[3?4]。利用SPD方法不僅可以制備出較大尺寸的樣品，同時(shí)還可以避免在制備過程中引入空隙和污染源[5?6]。室溫下SPD過程中的晶粒細(xì)化主要通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。晶粒尺寸隨著變形量的增加而減小。當(dāng)位錯(cuò)的累積和湮滅達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，晶粒不能再通過這種機(jī)制被細(xì)化而達(dá)到一個(gè)飽和值[7]。變形溫度是影響材料晶粒細(xì)化機(jī)制以及變形機(jī)制的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于大多數(shù)面心立方金屬來說，降低變形溫度能夠促使晶粒進(jìn)一步細(xì)化。因?yàn)樽冃螠囟鹊慕档陀欣谛巫儗\晶形成。低溫變形時(shí)形變孿晶與位錯(cuò)相互作用使得晶粒進(jìn)一步細(xì)化[8?10]。因此相比于其他SPD方 法[11?13]，低溫變形不需要很大的變形量就可以獲得超細(xì)晶。

經(jīng)過SPD方法獲得的超細(xì)晶材料通常強(qiáng)度很 高、塑性很低，這極大地限制了它們的實(shí)際工程應(yīng) 用[14?15]。超細(xì)晶材料的塑性低是因?yàn)槠鋬?nèi)部位錯(cuò)密度幾乎達(dá)到飽和以及細(xì)小的晶粒尺寸導(dǎo)致其加工硬化率低[16]。有研究表明[17?19]，通過降低材料的層錯(cuò)能使得材料的強(qiáng)度和塑性得到同步提升。層錯(cuò)能的降低有利于孿晶和層錯(cuò)的形成，孿晶和層錯(cuò)能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并且孿晶能夠?yàn)槲诲e(cuò)累積提供存儲(chǔ)空間。盡管降低層錯(cuò)能能夠使得材料的強(qiáng)度和塑性得到同步提升，但是塑性提升的非常有限[14, 20]。變形后的退火處理是提升材料塑性的有效方法。材料經(jīng)過劇烈塑性變形后的強(qiáng)度很高，隨后的退火處理在提升塑性的同時(shí)雖然會(huì)降低材料的強(qiáng)度，但是材料的強(qiáng)度仍然較 高[21?22]。因此，通過劇烈塑性變形以及適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砟軌蚴沟貌牧汐@得較好的綜合力學(xué)性能。

因此，本文作者通過向Cu-20Zn中加入硅元素來降低其層錯(cuò)能，使得其在液氮軋制后的性能得到提升，并且通過變形后的退火處理使得其綜合力學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，研究硅元素的添加對(duì)其力學(xué)性能和組織以及退火行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料Cu-20%Zn和Cu-20%Zn-1.2%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。將配料在GW?10型無芯中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，經(jīng)熱軋、冷軋和中間退火后，得到實(shí)驗(yàn)所需的合金板材。添加的硅元素能夠使得合金的層錯(cuò)能大大降低[23]。三元合金的層錯(cuò)能可由式(1)以及相關(guān)的二元合金層錯(cuò)能計(jì)算得到[24?25]：