分享：退火处理对紫铜棘轮行为的影响

郑婉婷1,王子仪2,阚前华2,康国政2 (1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031;2.西南交通大学力学与航空航天学院,成都610031) 

摘 要:对未退火硬态紫铜和退火处理得到的软态紫铜进行室温应变控制对称循环和应力控制 非对称循环变形试验,研究了退火处理对紫铜显微组织和棘轮行为的影响。结果表明:退火处理会 增大紫铜的晶粒尺寸,影响紫铜的循环软/硬化特性;两种状态紫铜均表现出明显的棘轮行为,且其 棘轮行为依赖于外加应力水平;应力幅的增大会显著影响硬态紫铜棘轮演化第III阶段的棘轮应 变速率,对软态紫铜第II阶段的棘轮应变速率影响较小;平均应力越大,硬态紫铜的棘轮演化从第 II阶段进入第III阶段的速度越快,但平均应力对软态紫铜第II阶段棘轮应变速率的影响不显著。 

关键词:退火处理;紫铜;循环软化;循环硬化;棘轮行为 中图分类号:TG146.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)01-0073-06

0 引 言

 大多数工程构件在服役过程中,常因承受交变 载荷而发生疲劳断裂。棘轮行为(棘轮效应)是指材 料在非对称应力循环过程中产生非弹性变形循环累 积的现象[1]。相较于普通应变控制下的疲劳失效行 为,同时发生棘轮效应时材料的疲劳失效机理因棘 轮-疲劳交互作用而显得更为复杂[2]。国内已有大 量关于各类钢材棘轮行为的试验研究[3-5]和本构描 述[6-8],但紫铜的棘轮行为研究少见报道[9-10] ;而棘 轮行为研究是分析紫铜在棘轮效应下疲劳行为的基 础。 紫铜的熔点为 1083 ℃,再结晶温度为 133~ 269 ℃,凭借良好的导电性及耐腐蚀性而广泛应用 于电子工业和压力开关中。紫铜在成形后通常会进 行退火处理,在消除成形过程引入的残余应力和组 织缺陷的同时,改变其显微组织,从而影响其力学性 能[11]。由于材料的棘轮行为与其组织初始状态具 有密切关联[12],因此,退火处理会使紫铜表现出不 同的棘轮行为。 目前有关退火处理对紫铜棘轮行为的影响研究少见报道。为此,作者对成形后的紫铜进行了退火 处理,研究了退火处理对其组织棘轮行为的影响,为 后续紫铜棘轮行为本构关系的建立及紫铜在工程实 际中的应用提供参考。 

1 试样制备与试验方法 

试验材料为浙江鸿耀高新铜材有限公司提供的 拉拔成形硬态 T2紫铜棒,其直径为20 mm。该紫 铜为面心立方(FCC)结构,化学成分如表1所示。 

依据 GB/T15248-2008将紫铜棒加工成如图 1所示的硬态紫铜试样。对部分硬态紫铜试样进行 退火处理,随炉升温至550 ℃,保温1h后随炉冷 却,得到软态紫铜试样(紫铜在550℃下会发生再结 晶和晶粒长大,硬度降低[11])。 图1 单轴实心圆棒试样 Fig 1 Uniaxialsolidrodsample 金相试样取自标距段横截面,经打磨抛光后,用 由8g六水三氯化铁、50mL盐酸和100mL去离子 水组成的溶液腐蚀后,采用 AxioObserverA1型倒 置光学显微镜观察硬态紫铜和软态紫铜的显微组 织。 采用 CRIMS-RPL100型电子式蠕变疲劳试验 机对紫铜试样进行单调拉伸试验、应变控制对称循 环变形试验和应力控制非对称循环变形试验。通过 CCPS5.0控制系统控制闭环及数据采集,使用标距 为25mm 的引伸计进行轴向应变测试。单调拉伸 试验 采 用 准 静 态 加 载 方 式,应 变 速 率 为 2× 10 -3s -1;对硬态紫铜进行应变幅为 0.4%,0.5%、 0.6%的应变控制对称循环试验(即平均应变为0, 应变比为-1);对软态紫铜进行应变幅为0.5%的 应变控制对称循环试验。应力控制非对称循环变形 试 验 中,加 载 波 形 为 三 角 波,应 力 加 载 速 率 为 50MPa·s -1。硬态紫铜的应力加载条件如下:第1 组平 均 应 力 为 50 MPa,应 力 幅 分 别 为 170,180, 190MPa;第2组应力幅为180MPa,平均应力分别 为40,50,60MPa。软 态 紫 铜 的 应 力 加 载 条 件 如 下:第1组平均应力为20MPa,应力幅分别为60, 80,100MPa;第2组应力幅为10 MPa,平均应力分 别为10,20,40,60,80MPa。 

2 试验结果与讨论 

2.1 显微组织

 由图2可以看出:硬态紫铜中存在孪晶结构,晶 粒细小且晶界密度大;经550 ℃退火时紫铜发生再 结晶,晶粒长大,晶粒尺寸明显大于硬态紫铜,但同 样能观测到孪晶结构。 图2 两种状态紫铜的显微组织 Fig 2 Microstructureofcopperintwostates a hardstateand b softstate 

2.2 单调拉伸应力-应变曲线 

由图3可知,硬态紫铜和软态紫铜单调拉伸时 的应力-应变曲线均没有明显的屈服平台,软态紫铜 具有明显的应变强化阶段、较低的屈服强度和较大 的断后伸长率;而硬态紫铜的应变强化阶段不显著, 屈服强度较高,断后伸长率较低。 由表2可知,硬态紫铜和软态紫铜的弹性模量 相差不大,但硬态紫铜的屈服强度和抗拉强度明显 高于软态紫铜,而软态紫铜的延展性优于硬态紫铜。 这是因为硬态紫铜的晶粒尺寸明显小于软态紫铜, 74 郑婉婷,等:退火处理对紫铜棘轮行为的影响 图3 不同状态紫铜的单调拉伸应力-应变曲线 Fig 3 Monotonictensilestress-straincurvesofcopperindifferentstates 晶粒越细,材料强度越高;此外,晶粒的细小意味着 更多数量的晶界,宏观塑性变形难在晶粒尺度上得 到协调,其塑性变形能力更差。 表2 不同状态紫铜的拉伸性能 Table2 Tensilepropertiesofcopperindifferentstates 材料 弹性模 量/GPa 屈服强 度/MPa 抗拉强度/ MPa 断后伸长 率/% 硬态紫铜 107.6 269.0 279.5 34.6 软态紫铜 101.2 50.6 234.6 47.

2 2.3 应变控制对称循环变形行为

 观察应力幅σa 随循环周次的变化情况,分析热 处理后紫铜材料的循环软/硬化特征。应力幅σa 定 义为 σa = σmax -σmin 2 (1) 式中:σmax 和σmin 分别为每一个应变循环中响应的 峰值应力和谷值应力。 循环硬化或软化特性是指在循环加载过程中, 若施加给定的应变幅,应力幅随着循环次数的增加 变得越来越大或越小的现象[2]。 由图4可以看出,在不同外加应变幅下,随着循 环周次的增加,硬态紫铜的峰值应力和谷值应力均 逐渐减小,应力幅及其降低速率逐渐减小,最终应力 幅趋于稳定。由此可以说明硬态紫铜为明显的循环 软化材料。 由图5可以看出:随着循环周次的增加,软态紫 铜的峰值应力和谷值应力均增大,应力幅逐渐增大, 表现出明显的循环硬化特性;经过一定的循环周次 后,应力幅渐趋稳定,循环硬化行为达到饱和。 图4 不同应变幅下应变控制循环变形过程中硬态紫铜的应力-应变滞回环及应力幅变化曲线 Fig 4 Stress-strainhysteresisloops a-c andstressamplitudeevolutioncurves d ofhardcopperinstraincontrolsymmetriccyclic deformationatdifferentstrainamplitudes 位错的增殖与湮灭以及位错和晶界的交互作 用,决定了材料的循环软/硬化特性:若位错增殖速 度快于湮灭速度,则表现出循环硬化,反之则表现出 循环软化;晶界对位错滑移的阻碍作用也会引起材 料的循环硬化[13]。硬态紫铜的内部具有极高的位 错密度,小角度晶界较多,在冷变形中由于滑移及变 形程度的增加,位错密度和晶格畸变较大。在循环 变形时,硬态紫铜中位错的增殖速度低于湮灭速度, 同时大角度晶界数量较少,对位错的阻碍作用较弱, 因此表现出明显的循环软化特性。退火能有效改变 75 郑婉婷,等:退火处理对紫铜棘轮行为的影响 图5 应变幅0 5%下应变控制对称循环变形时软态紫铜的应力-应变滞回环及应力幅变化曲线 Fig 5 Stress-strainhysteresisloop a andstressamplitudeevolutioncurves b ofsoftcopperinstraincontrolsymmetriccyclicdeformation 晶粒形状,并降低初始加工引起的高位错密度;退火 处理过程中紫铜能够进行充分的再结晶,小角度晶 界减少而大角度晶界增加,位错密度也有效降低。 因此,在循环变形时,软态紫铜中位错的增殖速度高 于湮灭速度,且位错在大角度晶界处会被阻碍,从而 出现宏观的循环硬化现象。

 2.4 应力控制非对称循环变形行为 

由图6可以看出:硬态紫铜在循环初期(约前 100周次)的应力-应变滞回环小,塑性变形累积不 明显,这是因为在应力水平为(50±180)MPa下, 硬态紫铜一 开 始 处 于 宏 观 弹 性 变 形 阶 段,几 乎 没 有棘轮应变的产生;随着循环周次的增加,硬态紫 铜表现出循 环 软 化 特 性,开 始 产 生 明 显 的 塑 性 变 形并逐渐 累 积,最 终 产 生 明 显 的 棘 轮 变 形。软 态 紫铜在给定应力水平(20±100)MPa下,其应力应变滞回环 循 环 初 期 较 为 明 显,塑 性 变 形 程 度 较 高,产生明显的棘轮行为,这是因为外加峰值应力 高于屈服强度,软态紫铜产生明显的棘轮行为;随着 循环周次的增加,软态紫铜表现出循环硬化特性,滞 回环逐渐变窄。 图6 应力控制非对称循环加载时不同状态紫铜的应力-应变滞回环 Fig 6 Stress-strainhysteresisloopsofcopperindifferentstatesinstresscontralasymmetriccyclicloading a hardcopperand b softcopper 采用工程应变形式的轴向棘轮应变εr 来表征 棘轮变形的大小,其定义[1]为 εr =(εmax -εmin)/2 (2) 式中:εmax 和εmin 分别为每一个应力循环中测得的 最大和最小轴向工程应变。 

2.4.1 应力幅对棘轮行为的影响 

硬态紫铜的棘轮行为演化可以分为3个阶段: 第I阶段为循环初期的棘轮应变速率衰减阶段,第 II阶段为循环中期的常棘轮应变速率阶段,第III 阶段为循环后期棘轮应变速率增加阶段。软态紫铜 的棘轮行为演化分为两个阶段:第I阶段为循环初 期的棘轮应变速率衰减阶段,第II阶段为后期的常 棘轮应变速率阶段。紫铜材料的循环软化特性会促 进其棘轮行为的发展,而循环硬化特性会削弱其棘 轮行为,这与其他合金材料的循环软/硬化行为对棘 轮行为的影响一致[10]。 由图7可以看出,平均应力恒定时,随着应力幅的 增加,紫铜的棘轮应变和棘轮应变速率均单调增长。 应力幅对硬态紫铜的棘轮3阶段演化特征影响 显著,应力幅越高,从第II阶段的常棘轮应变速率 阶段进入第III阶段棘轮应变速率增加阶段的速度 越快 ,且 第III阶 段 的 棘 轮 应 变 速 率 越 高 。在 较 低 76 郑婉婷,等:退火处理对紫铜棘轮行为的影响 图7 平均应力恒定不同应力幅下非对称循环加载时硬态和软态紫铜的棘轮应变及应变速率的变化曲线 Fig 7 Ratchettingstrain a c andstrainrate b d curvesofhard a-b andsoft c-d copperinasymmetriccyclicloadingunder differentstressamplitudesandconstantaveragestress 应力幅下(170 MPa),由于峰值加载应力远低于硬 态紫铜的屈服强度,硬态紫铜几乎不产生棘轮变形; 在中等应力幅下(180 MPa),棘轮演化则表现出明 显的3阶段特征;在较高应力幅下(200 MPa),棘轮 演化的前两个阶段不明显,以第III阶段演化为主。 所有应力幅下软态紫铜都表现出明显的两阶段演化 特征。应力幅为60 MPa时,软态紫铜在棘轮演化 的第II阶段过程中棘轮应变速率几乎为0;应力幅 为80MPa时,紫铜在第II阶段出现准棘轮安定现 象[2],棘轮应变速率接近为0;应力幅为100MPa时 则在棘轮变形的第II阶段未达到准棘轮安定状态, 棘轮应变仍以显著的速率不断累积。 

2.4.2 平均应力对棘轮行为的影响

 由图8可以看出,软/硬紫铜的棘轮应变和棘 轮应变速率都随平均应力增加而单调增加。硬态 紫铜呈现出 3 阶 段 棘 轮 演 化 特 征,外 加 平 均 应 力 越大,则 其 从 第II阶 段 进 入 第III阶 段 的 速 度 越 快,但从第I阶 段 过 渡 到 第II阶 段 的 速 度 几 乎 不 变,平均应力的变化显著影响到硬态紫铜第III阶 段的棘轮应变速率。软态紫铜呈现两阶段棘轮演 化特征,平均应力不同时,软态紫铜在相近的循环 周次(约第10周次)下从第I阶段进入第II阶段, 平均应力的变化对第II阶段棘轮应变速率的影响 并不显著。

 3 结 论 

(1)退火处理会使紫铜发生再结晶,晶粒尺寸 增大,屈服强度和抗拉强度降低,导致紫铜出现不同 的循环软/硬化特性。 (2)在应变控制对称的循环变形过程中,未退 火处理硬态紫铜的应力幅随循环周次的增加逐渐减 小,表现出循环软化特性;而经过550℃退火处理后 的软态紫铜的应力幅随循环周次的增加逐渐增大, 表现出循环硬化特性。 (3)在应力控制非对称循环加载下,随着循环 周次的增加,硬态紫铜的应力-应变滞回环逐渐变 宽,棘轮应变速率呈现增大的趋势,并表现出3阶段 棘轮演化特征;软态紫铜的应力-应变滞回环逐渐变 窄,棘轮应变速率呈现逐渐减小的趋势,表现出两阶 段棘轮演化特征。 (4)不同状态下紫铜的棘轮行为都明显依赖于 外加应力水平,棘轮应变与棘轮应变速率均随平均 应力和应力幅的增大而单调增大。应力幅值的增大 显著影响硬态紫铜棘轮演化第III阶段的棘轮应变速 率,但对软态紫铜第II阶段的棘轮应变速率影响较 小;平均应力越大,硬态紫铜的棘轮变形从第II阶段 进入第III阶段越快,但对于软态紫铜,平均应力的变 化对第II阶段棘轮应变速率的影响并不显著。

来源：材料与测试网