約束式沖擊制備高強高韌工業純銅

王海麗 李小剛 胥珊娜 王奇 屈啟蒙

（西安石油大學材料科學與工程學院 西安 710065）

銅及銅合金是重要的高導電材料，在一些既需要導電又需要承載的應用場景，如電力開關中，還要求銅及銅合金具有高的強度[1]。高強銅合金的加工常還需銅及銅合金具有良好的塑性。

嚴重塑性變形[2]是提高金屬材料強度的有效途徑。通過大塑性變形，在金屬中引入大量的位錯活動，產生大量的位錯亞結構以及晶界，達到提高強度的目的。嚴重塑性變形制備的金屬材料雖可達到很高的強度，但延伸率卻較低，難以進一步加工。

研究表明，金屬材料中界面的空間特征分布，如小角晶界、大角晶界、孿晶界以及位錯胞的數量及占比，是控制金屬材料力學性能的關鍵[3]。尤其當金屬材料中具有一定比例的軟區和硬區，即形成異質結構時，將在材料中產生額外的背應力加工硬化效應[4]。

要使背應力加工硬化效應產生最佳效果，需要考慮以下因素[5]：

（1）由于背應力是在區域邊界由位錯的堆積產生的，因而異質結構材料需要高密度的區域邊界；

（2）由于背應力是由幾何必須位錯產生的長程應力，因此區域邊界的間距須足夠大，使邊界兩側的硬區與軟區中均發生有效的位錯堆積，或至少使軟區中發生有效的位錯堆積；

（3）在異質區域間最大化應變分配，以增加應變梯度，產生背應力加工硬化效應。這要求區域間大的強度差，同時區域的幾何形貌須利于產生大的應變分配。

根據以上設計原則，實驗發現異質層狀結構金屬中，當約30%的層狀軟區鑲嵌在層狀硬區中時，硬區的剛性約束可使軟區強度提高到與硬區同等水平，產生高強度，同時，強的應變分配產生高的應變硬化，導致高塑性[6]。

低溫下動態塑性變形制備的中低層錯能納米結構金屬，常具有孿晶、剪切帶、納米晶的混合組織[7]。為避免嚴重塑性變形中產生單一的位錯結構，本工作在可約束樣品的模具中，在室溫下使用反復高速沖擊的方法，使中等層錯能的純銅發生塑性變形，利用上述背應力加工硬化效應獲得了高強高韌工業純銅。

1 試驗過程①

1.1 試驗材料

采用T3工業純銅，成分如下：

表1 T3工業純銅成分（單位：wt.%）

1.2 樣品制備

首先將直徑為8.0 mm，厚度為15.0 mm 的T3 工業純銅在900℃下退火2 小時，得到組織與成份均勻的樣品。隨后將圓柱樣品放在圖1所示的模具中，室溫下使用鋼錘自由落體的方式沖擊試樣。鋼錘材質為正火態45 鋼，重量為20 kg，自由落體高度為2 m。經過20 次的沖擊，試樣直徑變為～22 mm，高度變為2.0 mm。

對比試樣使用相同的粗晶工業純銅，在工作輥直徑為50 mm的四輥軋機制備。室溫下經過10道次的軋制，將厚度為15 mm 的T3 銅板軋至2.0 mm。軋制過程使用礦物油作為工藝潤滑劑。

圖1 沖擊模具示意圖(1)沖模(2)凹模(3)試樣(4)墊片

1.3 拉伸測試

拉伸試驗采用新三思10kN電子萬能試驗機，型號CMT4104，拉伸試樣標距為5.0 mm，應變速率為10-3/s。

1.4 微觀組織觀察

在0℃下，w（C2H5OH）=10%的磷酸溶液中將樣品截面電解拋光1min，電流密度0.1A/cm2。在金相顯微鏡(Leica DMi8)和掃描電鏡(FEI Nova-nano)下觀察微觀組織。

2 試驗結果及討論

2.1 微觀組織

工業純銅的粗晶組織如圖2 所示，晶粒尺寸～500 mm。圖3 為沖擊后工業純銅的微觀組織，圖中除了可以看到沖擊變形導致的細小層片組織外，還存在部分尺寸～5 mm 的等軸晶粒，是一種具有異質結構的組織。圖4為冷軋后工業純銅的微觀組織，為均勻的細小層片狀組織。

圖2 900℃退火2 h后工業純銅的粗晶組織金相照片

2.2 力學性能

圖5為動態沖擊和冷軋后T3工業純銅的拉伸力學性能。總壓下率為87%的工業純銅，經動態沖擊后，抗拉強度sb達到～565 MPa，均勻延伸率du達到～22.5%。而同等壓下率條件下，冷軋樣品的抗拉強度sb為～323 MPa，均勻延伸率du為～7.6%。

圖3 動態沖擊后，變形量為0.87的工業純銅微觀組織的掃描電鏡照片

圖4 變形量為0.87的工業純銅冷軋微觀組織掃描電鏡照片

圖5 動態沖擊與冷軋工業純銅的工程應力-應變曲線

由于在拉伸過程中，樣品截面積發生明顯的變化，工程應力s與應變e需轉換為真應力S與真應變e才能反映樣品的真實力學性能。在均勻變形階段，真應力S、真應變e 與工程應力s、工程應變e 的關系為[8]：

試樣開始頸縮后，公式（1）和公式（2）便不再適用。真應力-應變曲線上判斷頸縮的判據為：

即，當加工硬化率與真應力相等時，發生頸縮。即S-e 曲線與加工硬化率隨應變的變化曲線的交點為頸縮點。

圖7 加工硬化指數的確定

真應力-應變曲線如圖6 所示。動態沖擊后，工業純銅的真實抗拉強度為741 MPa，頸縮開始應變為20.2%，而冷軋后的真實抗拉強度為350 MPa，頸縮開始應變為7.9%。真應力-應變曲線的塑性變形階段一般可用Holloman-Ludwig指數方程描述：

其中K為強度系數，n為應變硬化指數。根據公式(4)，有：

因而，n 值可以通過線性擬合對數坐標系中S-e的塑性變形部分得到，如圖7所示。

動態沖擊后，工業純銅的應變硬化指數為1.99，而冷軋工業純銅的應變硬化指數為0.48。應變硬化指數的差別，表明動態沖擊后樣品具有不同的加工硬化機制。大的加工硬化指數說明動態沖擊制備的工業純銅具有更好的均勻變形能力，這將有利于提高材料的可加工性。

3 結論

（1）本工作中，動態沖擊工業純銅的抗拉強度達到741 MPa，均勻延伸率為20.2%，而冷軋工業純銅的抗拉強度為350 MPa，均勻延伸率為7.9%。

（2）動態沖擊工業純銅的加工硬化指數為1.99，而冷軋工業純銅的指數為0.48。

（3）通過動態沖擊，可以使工業純銅獲得高強度，同時保持良好的塑性。