基于熱壓縮的Cu-15Ni-8Sn合金動態再結晶行為研究

李立鴻，鐘敏，吳淵，牛冬鑫，羅宗強，張衛文

塑性成形

基于熱壓縮的Cu-15Ni-8Sn合金動態再結晶行為研究

李立鴻1,2，鐘敏1,2，吳淵1,2，牛冬鑫3，羅宗強3，張衛文3

（1. 汕頭華興冶金設備股份有限公司，廣東 汕頭 515063；2. 汕頭華興（饒平）銅業有限公司，廣東 饒平 515726；3. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

獲得Cu-15Ni-8Sn合金動態再結晶臨界模型，描述熱變形參數對動態再結晶晶粒尺寸的影響規律。基于前期通過Gleeble-3500熱模擬機得到的熱壓縮實驗數據，分析Cu-15Ni-8Sn合金在不同熱變形參數下的再結晶晶粒尺寸及流變應力數據，采用線性回歸擬合等方式建立動態再結晶模型，并利用數值模擬與實驗相結合的方法驗證模型精確度。采用YADA模型描述Cu-15Ni-8Sn合金的動態再結晶，通過線性擬合求得模型參數1=11 895.554，2=0.1503，3=0.1553，4=3.933×10?4，5=2995.6409，數值模擬與實驗所得的平均晶粒度分別為16.7 μm和15.5 μm。變形溫度和變形速率對Cu-15Ni-8Sn合金熱變形中的再結晶過程有重要影響。變形溫度越高，臨界應變越小，越容易發生動態再結晶，動態再結晶晶粒尺寸越大；應變速率越小，動態再結晶晶粒尺寸越大。研究所構建的Cu-15Ni-8Sn合金動態再結晶臨界模型具有較高精度，將為后續該合金熱塑性變形工藝設定提供理論基礎。

Cu-15Ni-8Sn合金；熱壓縮；動態再結晶臨界模型

Cu-15Ni-8Sn是一種調幅分解強化型彈性銅合金，具有優異的力學性能、耐磨性能以及耐腐蝕性能，被廣泛應用在海洋工程、機械、電子器件和航空航天等領域[1—3]。眾多學者對該合金的相變、微合金化、制備工藝以及熱處理等方面進行了大量的系統研究，并在實驗室條件下制備出了兼具高強度和高塑性的Cu-15Ni-8Sn合金[4—6]。目前，研究依然側重于實驗室階段，對于該合金的工程化應用鮮有相關報道。

在工程化應用過程中，大多數金屬材料都至少經歷一種塑性變形，如軋制、鍛造和擠壓。這些工藝不僅決定著材料的最終或近凈形狀，還可以有效減少氣孔、夾渣等鑄造缺陷[7]，尤其對于Cu-15Ni-8Sn合金而言，塑性變形工藝顯得更為重要。該合金通常需要長時間的均勻化處理來解決Sn偏析問題，因此，采用塑性變形來細化均勻化退火導致的粗大晶粒，對提高合金的力學性能起著重要作用[8]。

在熱塑性變形中，動態再結晶（Dynamic recrystallization, DRX）往往決定著合金最終的微觀組織和力學性能。探究熱變形參數和動態再結晶程度的相互關系對于控制熱變形工藝中的組織演變具有重要意義[9]。動態再結晶臨界模型是一種闡述這種相互關系的理論方程，并被廣泛應用于Al，Ti，Fe等合金中[10—14]，為相應合金熱變形參數的設定提供了精確可靠的理論依據。

文中以Cu-15Ni-8Sn合金為研究對象，通過熱壓縮實驗研究合金的再結晶行為，并建立其動態再結晶臨界模型，以期為該合金塑性加工工藝的制定提供理論指導。

1 實驗

Cu-15Ni-8Sn合金熔體的熔煉采用電解銅、電解鎳和高純錫為原材料，在中頻感應電阻爐中進行。先加入Cu和Ni，待二者熔化后再加入Sn，采用氬氣精煉除氣10 min后澆鑄，最終鑄錠的實際成分如表1所示。鑄錠在840 ℃下均勻化處理8 h，隨后加工成8 mm×12 mm的圓柱形試樣，在Gleeble-3500熱模擬機上進行壓縮實驗。熱壓縮實驗溫度為850，900，950 ℃，應變速率為0.1，1，10 s?1，總應變為0.9。

表1 Cu-15Ni-8Sn鑄錠化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of Cu-15Ni-8Sn alloy (mass fraction) %

采用線切割方式切去壓縮試樣縱截面，并用5 g FeCl3+10 mL HCL+100 mL H2O溶液腐蝕金相后，使用徠卡金相顯微鏡觀察樣品的微觀組織，使用Image-Pro Plus軟件測量其晶粒尺寸大小。

2 結果及分析

2.1 熱壓縮微觀組織結果

圖1—3分別為850，900，950 ℃條件下，熱壓縮試樣的縱截面金相組織。通過三圓截點法計算了熱壓縮試樣的晶粒尺寸，如表2所示。可知，試樣均發生了動態再結晶過程，變形溫度越高，動態再結晶晶粒尺寸越大，應變速率越小，動態再結晶晶粒尺寸越大。

圖1 850 ℃下熱壓縮試樣的縱截面金相

圖2 900 ℃下熱壓縮試樣的縱截面金相

圖3 950 ℃下熱壓縮試樣的縱截面金相

表2 熱壓縮試樣再結晶晶粒尺寸

Tab.2 Recrystallized grain size of hot-compression samples μm

2.2 熱壓縮流變應力結果

熱壓縮流變應力曲線在先前的研究中已經進行了詳細分析[9]。從流變應力曲線上的峰值應力可以得到對應的峰值應變，而動態再結晶的臨界應變一般等于0.83倍的峰值應變，數據見表3，可以看出，變形溫度越高，臨界應變小，即越容易發生動態再結晶。

表3 不同變形溫度下的臨界應變

Tab.3 Critical strain under different deformation temperatures

2.3 再結晶臨界模型的建立

采用YADA模型來描述Cu-15Ni-8Sn合金的動態再結晶行為。YADA模型[15]見式（1—2）所示：

2.3.11，2，3的計算

首先，對式（1）取自然對數得到式（3）：

以為橫坐標，為縱坐標繪制散點圖，進行最小二乘法線性擬合，如圖4所示。擬合曲線斜率的平均值即為C2的值，截距為相應的S值。以1/T為橫坐標，S為縱坐標繪制散點圖，進行最小二乘法線性擬合，如圖5所示。通過擬合曲線的斜率和截距可分別求出C3和C1的值。

圖5 1/T與S關系

2.3.24和5的計算

對式（2）兩端取自然對數得到式（4）：

以1/T為橫坐標，ln εc為縱坐標繪制散點圖，進行最小二乘法線性擬合，如圖6所示。擬合曲線的斜率即為C5的值，截距即為ln C4的值。最終，再結晶晶粒尺寸YADA模型中C1—C5的值分別為11 895.554，0.1503，0.1553，3.933×10?4，2995.6409。

2.4 再結晶臨界模型的驗證

利用Marc軟件進行熱擠壓變形的數值模擬，通過與相同條件下的熱擠壓實驗結果進行比較，從而驗證動態再結晶模型的準確性。數值模擬與實驗過程采用的變形參數為：擠壓錠胚直徑為50 mm，最終擠壓棒直徑為12 mm，擠壓速度為3 mm/s，擠壓溫度為900 ℃。文中在模具出口處沿垂直于擠壓方向提取模擬數據作為最終的模擬結果，分析晶粒尺寸。錠胚通過模具出口后，不再發生塑性變形，動態再結晶過程消失，同時錠坯在完成熱擠壓之后進行了水冷處理；另一方面，該模型是對于動態再結晶過程的描述，因而應當以模具出口處的晶粒尺寸物理場作為最終模擬結果。

數值模擬晶粒尺寸結果見圖7。通過對模具出口處模擬數據的分析，得到了晶粒尺寸分布，計算所得的平均晶粒度約為16.7 μm。圖7b為擠壓棒縱截面的典型金相組織。通過對50多個隨機金相組織圖像的統計分析，得到了對應的粒度尺寸分布，平均晶粒尺寸為15.5 μm。結果表明，該動態再結晶模型具有較高的準確性。

圖7 再結晶模型驗證結果

3 結論

1）Cu-15Ni-8Sn合金熱變形過程發生動態再結晶行為，變形溫度和變形速率對再結晶結果有重要影響。變形溫度越高，動態再結晶晶粒尺寸越大；應變速率越小，動態再結晶晶粒尺寸越大。與此同時，變形溫度越高，臨界應變小，即越容易發生動態再結晶。

2）基于熱壓縮實驗數據建立了Cu-15Ni-8Sn合金的動態再結晶臨界模型，并通過實驗與數值模擬相結合的方式，對構建的動態再結晶臨界模型進行了驗證。數值模擬計算所得的平均晶粒度約為16.7 μm，實際熱壓縮實驗的平均晶粒尺寸為15.5 μm。該動態再結晶模型具有較高的準確性，能夠為該合金熱塑性變形工藝的設定提供理論指導。

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Dynamic Recrystallization Behavior of Cu-15Ni-8Sn Alloy Based on Hot-Compression Test

LI Li-hong1,2, ZHONG Min1,2, WU Yuan1,2, NIU Dong-xin3, LUO Zong-qiang3, ZHANG Wei-wen3

(1. Shantou Huaxing Metallic Equipment Co., Ltd., Shantou 515063, China; 2. Shantou Huaxing (Raoping) Copper Co., Ltd., Raoping 515726, China; 3. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The work aims to establish a dynamic recrystallization critical model for Cu-15Ni-8Sn alloy and study the effect of hot deformation parameters on grain size of dynamic recrystallization. Based on the experimental data of hot-compression tests obtained by Gleeble-3500 thermal analogue machine, recrystallized grain size and flow stress of Cu-15Ni-8Sn alloy under different thermal deformation parameters were analyzed. A dynamic recrystallization model was established by linear regression fitting and other ways. The precision of the model was verified by numerical simulation and experiment. The dynamic recrystallization of Cu-15Ni-8Sn alloy was described with YADA model. Through linear fitting, parameters of the model were obtained to be1=11 895.554,2=0.1503,3=0.1553,4=3.933×10?4,5=2995.6409. The average gain size of numerical simulation and experiment was 16.7 μm and 15.5 μm respectively. The results show that deformation temperature and strain rate have important effects on the recrystallization of Cu-15Ni-8Sn alloy in thermal deformation. With the increase of deformation temperature, the critical strain decreases gradually, the dynamic recrystallization occurs more likely, and the grain size of dynamic recrystallization increases. Moreover, the smaller the strain rate is, the larger the grain size is. The dynamic recrystallization critical model established for Cu-15Ni-8Sn alloy has high accuracy. The results of this study will provide a theoretical basis and technical reference for thermal plastic forming of Cu-15Ni-8Sn alloy.

Cu-15Ni-8Sn alloy; hot compression; dynamic recrystallization critical model

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.015

TG146.1

A

1674-6457(2021)02-0091-05

2020-12-24

汕頭市重大科技攻關項目（2019ST066）；潮州市科技計劃（2019ZX17）

李立鴻（1969—），男，高級工程師，主要研究方向為銅合金構件成形。

張衛文（1969—），男，博士，教授，主要研究方向為金屬材料的制備與成形。