微量釹對純晶粒大小及銅硬度的影響

孟祥鋒++周丹++趙軒++康梟

摘 要：金屬材料的性能和晶粒大小有著密切關(guān)系，工業(yè)上常使用添加形核劑的方法細(xì)化晶粒，從而提高和改善金屬材料的性能。該文通過在純銅中加入微量稀土元素釹，研究其對純銅晶粒大小和硬度的影響。結(jié)果表明：少量的釹可以細(xì)化晶粒提高硬度，加入量過多反而使晶粒變粗硬度下降。

關(guān)鍵詞：純銅 釹 晶粒 硬度

中圖分類號：TG146.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0103-01

金屬材料的性能和晶粒大小有著密切關(guān)系，根據(jù)Hall-petch公式[1]，晶粒細(xì)化既能提高材料的強(qiáng)度，又能提高材料塑性。在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用添加合金元素的辦法細(xì)化金屬材料的凝固組織，提高材料的性能。有文獻(xiàn)報(bào)道[2]，在純銅中添加稀土Ce，稀土元素有向晶界分布的趨勢，并使晶粒明顯細(xì)化。在Cu-Ni-Zn合金中添加稀土元素，發(fā)現(xiàn)稀土細(xì)化了該合金的組織，并提高了抗拉強(qiáng)度及硬度[3]。

學(xué)者們廣泛的研究了稀土元素對有色金屬的組織和性能的影響，對其作用機(jī)理的研究也取得了很大進(jìn)展。學(xué)者普遍認(rèn)為稀土元素有以下作用[4]。第一可以減少有色金屬中有害元素和雜質(zhì)；第二使非金屬夾雜物變質(zhì)以或降低，去除其殘留在固態(tài)金屬中的危害性。稀土元素不僅能減少夾雜物的數(shù)量，還能細(xì)化、改善其存在的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。第三在金屬材料中的微合金化或合金化作用。可見稀土元素可以作為一種有益的添加元素使用。該文通過在T2純銅中加入微量的稀土元素釹，采用真空熔煉，分析研究釹對純銅晶粒度和硬度的影響，為稀土在銅中作用的研究做基礎(chǔ)性工作。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

原材料采用99.9%的T2純銅和純度都大于99.9%的稀土金屬釹。純銅在加熱前要進(jìn)行使用碳酸鈉水溶液表面處理和預(yù)熱去氣。粉末狀稀土釹和紫銅棒一起放入事先烘干的石墨坩堝中，放入真空熔煉爐中加熱到設(shè)計(jì)溫度，保溫預(yù)定時(shí)間，然后采用爐冷。通過不同的成分配比加工成成分 0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 wt%系列的 Cu-Re合金試樣。在XLM-20型金相顯微鏡下觀察組織，并做定量金相分析。在布氏硬度機(jī)測量試樣的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 釹對晶粒大小的影響

晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的數(shù)值表示有多種。為了更方便直觀，本實(shí)驗(yàn)采用金相法測量的晶粒大小用公稱直徑表示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們能清楚的看到釹在加入量很少（小于0.06 wt%）時(shí)，隨著釹含量的增加，晶粒逐漸變小。而當(dāng)加入量從0.06 wt%開始，晶粒卻逐漸增大。

稀土釹對純銅的細(xì)化作用主要有兩方面原因，一方面是稀土釹起到異質(zhì)形核的作用。稀土元素在凝固時(shí)大量的聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固時(shí)成分過冷增大，以樹枝狀方式凝固成長，同時(shí)在型壁形核晶粒，由于稀土溶質(zhì)的偏析，使晶粒根部的成長受到了抑制，增加了熔斷游離的結(jié)晶核心，從而細(xì)化了晶粒。另一方面，稀土的原子半徑大于銅的原子半徑，進(jìn)入銅相晶格內(nèi)引起較大的晶格畸變，使系統(tǒng)能量增加，為保持系統(tǒng)自由能最低，稀土原子只能向原子排列不規(guī)則的晶界富集，所以鑄態(tài)組織中稀土原子大都分布在晶界，并阻滯晶粒長大。稀土釹在加入量比較少的時(shí)候細(xì)化晶粒，加入量較多時(shí)形成了大量的稀土化合物，減小了成分過冷的作用，合金組織反而粗化了。

2.3 釹對純銅硬度的影響

稀土釹對純銅硬度影響從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以清晰的看到，銅合金的硬度隨著稀土釹加入量增加而增大，并且在稀土含量0.04 wt%時(shí)硬度達(dá)到最大，之后又開始明顯下降。

從硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)來看，硬度值是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力，是材料成分和組織差異的敏感反應(yīng)。稀土釹對硬度值得影響，一方面是固溶強(qiáng)化的作用。由于稀土原子和銅原子直徑的差異，在溶質(zhì)周圍形成了晶格畸變應(yīng)力場，在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)應(yīng)力場與晶格畸變場交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使屈服強(qiáng)度提高。另一方面，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到，加入少量的釹之后，晶粒細(xì)化，增加晶界對位錯(cuò)阻礙，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。在以上兩方面原因共同作用下，使銅的硬度提高。

硬度下降一方面原因是由于晶粒增大，晶界對位錯(cuò)的阻礙作用減小，使硬度減小；另一方面，當(dāng)過量的稀土釹與雜質(zhì)反應(yīng)，形成氧化物夾雜來不及上浮排除，殘留在銅合金中，雜質(zhì)的含量隨著稀土加入量增加而增加，并且在銅合金中成不均勻分布，這樣在外力作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，也導(dǎo)致硬度值下降。

3 結(jié)語

（1）在純銅中添加適量的稀土元素釹可以起到細(xì)化晶粒的作用，而當(dāng)加入量超過0.06 wt%反而會(huì)粗化晶粒。

（2）微量的稀土元素釹可以稀土提高純銅的硬度，而過量的釹反而會(huì)使硬度下降。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳衛(wèi)華.銅及銅合金晶粒細(xì)化方法的研究現(xiàn)狀[J].湖南冶金，2006，34（5）：44-48.

[2] 馬壯，張連勇，趙越超.稀土元素在純銅中的分布及對鑄態(tài)組織的影響[J].有色金屬（冶煉部分），2002（6）：41-44.

[3] 黃義宏，譚新常.稀土對Cu-Ni-Zn合金性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，1999（2）：1-3.

[4] 劉靜安，溫育智.稀土在有色金屬工業(yè)中的開發(fā)與應(yīng)用[J].四川有色金屬，2002（4）.endprint