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系，工業上常使用添加形核劑的方法細化晶粒，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。結果表明：少量的釹可以細化晶粒提高硬度，加入量過多反而使晶粒變粗硬度下降。

關鍵詞：純銅 釹 晶粒 硬度

中圖分類號：TG146.1+1 文獻標識碼：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系，根據Hall-petch公式[1]，晶粒細化既能提高材料的強度，又能提高材料塑性。在實際生產中，常采用添加合金元素的辦法細化金屬材料的凝固組織，提高材料的性能。有文獻報道[2]，在純銅中添加稀土Ce，稀土元素有向晶界分布的趨勢，并使晶粒明顯細化。在Cu-Ni-Zn合金中添加稀土元素，發現稀土細化了該合金的組織，并提高了抗拉強度及硬度[3]。

學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，對其作用機理的研究也取得了很大進展。學者普遍認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；第二使非金屬夾雜物變質以或降低，去除其殘留在固態金屬中的危害性。稀土元素不僅能減少夾雜物的數量，還能細化、改善其存在的形態和結構。第三在金屬材料中的微合金化或合金化作用?？梢娤⊥猎乜梢宰鳛橐环N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性工作。

1 實驗材料及方法

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。純銅在加熱前要進行使用碳酸鈉水溶液表面處理和預熱去氣。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計溫度，保溫預定時間，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。在布氏硬度機測量試樣的硬度。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

2.2 釹對晶粒大小的影響

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

稀土釹對純銅的細化作用主要有兩方面原因，一方面是稀土釹起到異質形核的作用。稀土元素在凝固時大量的聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固時成分過冷增大，以樹枝狀方式凝固成長，同時在型壁形核晶粒，由于稀土溶質的偏析，使晶粒根部的成長受到了抑制，增加了熔斷游離的結晶核心，從而細化了晶粒。另一方面，稀土的原子半徑大于銅的原子半徑，進入銅相晶格內引起較大的晶格畸變，使系統能量增加，為保持系統自由能最低，稀土原子只能向原子排列不規則的晶界富集，所以鑄態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候細化晶粒，加入量較多時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驗結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%時硬度達到最大，之后又開始明顯下降。

從硬度試驗的特點來看，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。稀土釹對硬度值得影響，一方面是固溶強化的作用。由于稀土原子和銅原子直徑的差異，在溶質周圍形成了晶格畸變應力場，在塑性變形時，位錯應力場與晶格畸變場交互作用，阻礙位錯運動，從而使屈服強度提高。另一方面，從實驗結果中看到，加入少量的釹之后，晶粒細化，增加晶界對位錯阻礙，起到細晶強化的作用。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，晶界對位錯的阻礙作用減小，使硬度減小；另一方面，當過量的稀土釹與雜質反應，形成氧化物夾雜來不及上浮排除，殘留在銅合金中，雜質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，這樣在外力作用時產生應力集中，也導致硬度值下降。

3 結語

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

（2）微量的稀土元素釹可以稀土提高純銅的硬度，而過量的釹反而會使硬度下降。

參考文獻

[1] 吳衛華.銅及銅合金晶粒細化方法的研究現狀[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合金性能及顯微結構的影響[J].稀有金屬與硬質合金，1999（2）：1-3.

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