模压形变对纯铜组织和性能的影响.pdf

第42卷第9期Vol． 42 No． 9FORGING 2．广东科技学院机电工程学院,广东东莞523083)摘要:采用交叉模压形变法对纯铜进行不同道次的形变处理,研究交叉模压形变对纯铜显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:交叉模压形变可以较有效细化纯铜晶粒尺寸,交叉模压10道次后,平均晶粒尺寸减小63%;材料在塑性变形初期(2道次)细化效果最明显,经相同道次交叉模压形变后,晶粒细化效果逐渐减低;交叉模压变形后纯铜试样的显微硬度和抗拉强度均得到显著提高,但是伸长率下降,硬度值和抗拉强度分别提高了96． 4%和31． 9%,伸长率由66． 67%下降至12． 25%。关键词:模压形变法;大塑性变形;晶粒细化;显微组织;力学性能DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2017． 09． 027中图分类号: TG113; TG146 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 09-0146-04Effect of groove pressing on microstructure and properties of pure copperZhang Xiumei1, Jiang Bingchun2(1． Faculty of Electrical Engineering, Guangdong Baiyun University, Guangzhou 510450, China;2． Faculty of Electrical Engineering, Guangdong University of Science and Technology, Dongguan 523083, China)Abstract: Pure copper was deformed by the constrained groove pressing technology, and the influences of groove pressing on microstruc-ture and mechanical properties of pure copper were studied. The results show that the constrained groove pressing is an effective way of re-fining the grain size of pure copper, and the average grain size of pure copper decreases by 63% after 10 passes. At the beginning of plas-tic deformation (2 passes), the effect of refining is most obvious, after the same passes of the constrained groove pressing, the effect of re-fining reduces gradually. However, the micro hardness and tensile strength of material increase significantly after the constrained groovepressing, and the elongation of copper decreases. Thus, the hardness and tensile strength of material increase nearly 96%and 32% respec-tively, and the elongation of copper decreases from 66． 67% to 12． 25%.Key words: constrained groove pressing technology; severe plastic deformation; grain refinement; microstructure; mechanical properties收稿日期: 2017 -03 -28;修订日期: 2017 -06 -20基金项目:广东省青年创新人才类项目资助(2015KQNCX192);白云学院院级项目资助(BYKY20155)作者简介:张秀妹(1988 - ),女,硕士,助教E-mail: 654874847@ qq． com通讯作者:姜炳春(1987 - ),男,硕士,讲师E-mail: jiangbingchun 2008@163． com模压形变技术(Constrained Groove Pressing,简称CGP)是一种制备大体积板状试样的大塑性变形方法。在不改变试样截面形状的前提下,通过多次模压形变使试样内部累积较大的等效应变,进而细化试样晶粒。模压形变过程中表面无需进行特殊的除去污染和氧化层的处理,只需要适当地对模具进行润滑,模压过程较为简单,且对模压所需要的成形设备吨位要求不高,是一种被国际材料领域公认的简单易行的制备块状细晶的大塑性变形方法[1]。Dong H S等[2]在2002年首先将模压形变法应用于工业纯铝的研究,通过多道次的模压形变实验后纯铝被细化到亚微米级,成功获得了纯铝的超细晶粒,同时,发现材料的整体性能也得到了很大的提高。在模压形变法提出后,陆续有研究者对纯铝[3 -4]及其合金[5 -6]、纯铜[7]、黄铜[8]、碳钢[9 -10]等进行模压形变研究,均发现模压形变法能够有效地细化材料的晶粒。本文选用纯铜为试验材料进行研究,这是因为铜在电子电气、机械制造、交通运输、建筑、轻工、高科技等领域具有广泛的应用,随着科学技术的迅猛发展,特别是微电子工业的发展,对铜材的需求日益扩大。传统铜加工工业需求要向高精度、高性能、环保、节能方向发展。提高铜的综合性能有许多途径,如添加稀有元素、制备铜基复合材料、细化晶粒等,其中细化晶粒是提高材料性能最为有效的方法之一。本文在前期模压形变研究基础上,在模压变形过程中对试样进行翻转90°后,再进行模万方数据压,提高模压均匀性,重点研究纯铜经过交叉反复模压形变后试样的显微组织变化及其力学性能规律,为纯铜材料的基础理论与铜合金的实际应用提供一定的依据[11]。1 试验工艺与测试方法本试验采用纯铜板状试样作为原料,纯度为99． 90%。试样的几何尺寸为55 mm × 60 mm ×2 mm。试样在SX2 - 5 - 12型试验室电阻炉经(650 ±8)℃,保温时间为1 h ,保护介质为Al2O3,空冷退火处理。图1为模压形变模具示意图。模压剪切变形区模具角度θ为45°,模具齿宽为7 mm。首先将试样放入齿形凸凹槽模具正中间,在竖直方向上以一定速度在室温下进行压制,试样在模具中发生大的塑性变形,然后用平行的模具将试样压平(图1c ),即一个道次变形;接着将一道次变形后的试样沿着挤压方向平转180°,并将试样沿模具的长度方向移动一个齿宽t的距离,重复压弯-压平塑性挤压过程,使试样在前道次过程中未变形的部分发生塑性变形;最后将试样转绕90°后,再进行压弯-压平-压弯-压平塑性变形,此过程定义为交叉模压2道次。重复上述的压弯-压平的过程,使试样获得较均匀的大塑性变形。图1 模具和模压形变过程示意图(a)模具 (b)压弯阶段 (c)压平阶段Fig． 1 Schematic diagram of die and CGP process(a) Die (b) Grooving stage (c) Flattening stage模压形变试验在WDW300D微机控制电子万能试验机上进行,加载速率约为12 mm· min -1,压制过程中下降距离约为7 ~9 mm;硬度试验在HV1000型显微硬度计上进行,施加载荷为9． 8 N,保压时间为15 s,沿试样表面的长度方向取点,每个点间隔5 mm,沿着宽度方向测试6 ~8次,取其平均值;拉伸试验在CMT6104型微机控制电子万能试验机上进行,拉伸速率为1 mm· min -1。拉伸试样的制备按照GB/ T 228． 1— 2010[12]要求,几何尺寸如图2所示,标距l0 =15 mm, l =20 mm, b =10 mm, r =5 mm, a为试样实际厚度[9]。显微组织观察在JI2 -50型光学显微镜下进行,并采用画线法计算显微组织的平均晶粒尺寸。图2 拉伸试样的尺寸示意图Fig． 2 Size of the tensile sample2 试验结果与讨论2． 1 模压变形道次对纯铜显微组织的影响图3为纯铜经不同道次交叉模压形变后的显微组织。由图3a可以看出,退火态纯铜的显微组织基本为规则的等轴晶,析出相均匀分布于基体中,平均晶粒尺寸约为19．4 μm,晶粒内存在退火孪晶(图3a中箭头所指部分)。试样经交叉模压2道次后(图3b),晶粒得到一定程度的细化,但仍存在部分粗大晶粒,平均晶粒尺寸约为16．5 μm。随着模压道次的增加,晶粒尺寸减小,粗大晶粒不断消失。交叉模压10道次时,晶粒进一步细化(图3c),平均晶粒尺寸约为11．9 μm。2． 2 模压变形道次对纯铜力学性能的影响图4为纯铜的硬度与模压道次的关系曲线图。由图4可知:与退火态相比,纯铜经过交叉模压2道次后硬度值显著提高,硬度值由退火态的56 HV增加到100 HV,提高了78． 6%;之后随着模压道次的增加,硬度逐渐增加,趋势变缓;模压形变10道次后试样的硬度为110 HV,提高了96． 4%。图5为纯铜形变后拉伸性能与模压道次的关系741第9期张秀妹等:模压形变对纯铜组织和性能的影响 万方数据图3 纯铜经退火处理和不同道次交叉模压形变后的金相组织(a)退火态 (b) 2道次后 (c) 10道次后Fig．3 Optical microstructure of pure copper after annealing treatment anddifferent cross-CGP passes(a) As-annealed (b) After two passes (c) After ten passes曲线图。在模压形变10道次范围内,随着模压道次的增加,纯铜的抗拉强度先增大后略微下降;模压形变2道次后,抗拉强度急剧增大;随后,随着模压道次的增加,抗拉强度提高趋势变缓。此外,随着道次的增加,纯铜的伸长率逐渐下降;模压形变2道次后,伸长率显著下降,下降了47%;随着模压道次的继续增加,伸长率继续下降,趋势缓慢,模压10道次后下降为12%左右。随着模压道次的增加,纯铜的硬度和强度均有很大的提高,尤其是在模压2道次后,硬度和强度明显图4 纯铜的硬度与模压道次的关系曲线Fig． 4 Relationship curve between hardness of purecopper and cross-CGP passes图5 纯铜的拉伸性能与模压道次的关系曲线Fig． 5 Relationship curve between tensile property of purecopper and cross-CGP passes提高,这是由于在低道次(2道次)模压形变过程中,材料发生强烈的剪切变形,材料内部的位错密度急剧增加,由于晶界或者其他阻碍在晶粒内部累积,所以在外部特征上表现出硬度和强度的显著提高;随着模压道次的继续增加,虽然有效应变继续增加,位错密度也增大,但是在应变到达一定值之后,位错密度不再增加,到达饱和值[13]。图6为交叉模压形变10道次不同位置纯铜的TEM照片。如图6a所示,高密度的位错在晶界及障碍物处发生缠结,在个别地方还出现了很明显的位错胞状结构(图6b)。模压形变8道次时强度达到最大值,之后强度值有所下降,这说明在模压形变8道次时,晶粒内陷密度达到饱和值,宏观力学性能则表现出强度达到最大值。模压10道次时,晶粒内缺陷的密度已饱和,不再增加,促使交滑移机制开动,释放一部分位错,从而使得原本互相塞积的位错又能继续运动,降低了位错密度,因此最终起到了某种程度的软化作用[14]。3 结论(1)纯铜材料经模压形变后,随着道次的增加,晶粒不断细化; 10道次变形的平均晶粒尺寸由原始841锻 压 技 术 第42卷万方数据图6 纯铜交叉模压10道次的TEM照片(a)位错缠结 (b)位错胞Fig． 6 TEM photo of pure copper after ten cross-CGP passes(a) Dislocation tangle (b) Dislocation cells态的19． 4 μm细化为11． 9 μm。材料在塑性变形初期晶粒细化率较大, 2道次细化效果最明显,经相同道次交叉模压形变后,晶粒细化率逐渐减低。(2)交叉模压形变后试样的硬度值和抗拉强度显著提高,而伸长率下降也很明显。硬度值和抗拉强度分别增长至110 HV和285 MPa,提高了96． 4%和31． 9%,伸长率由66． 67%下降至12． 25%。参考文献:[1] Dong H S, Park J J, Kim Y S, et al. 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