硅元素对超细晶黄铜力学性能及退火行为的影响

张祥凯，杨续跃, 2



硅元素对超细晶黄铜力学性能及退火行为的影响

张祥凯1，杨续跃1, 2

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；2. 中南大学 有色金属先进结构材料与制造协同创新中心，长沙 410083)

通过XRD、TEM、EBSD以及拉伸试验研究硅元素对超细晶黄铜力学性能和退火行为的影响。将Cu-20Zn和Cu-20Zn-1.2Si合金在液氮温度(约−196 ℃)下进行轧制并进行退火处理。结果表明：与液氮轧制后Cu-20Zn合金相比，液氮轧制后Cu-20Zn-1.2Si合金的强度显著提升，这是因为加入的硅元素使得层错能降低，使其变形后具有细小的晶粒以及较高的位错和孪晶密度。Cu-20Zn-1.2Si合金热稳定性的提升源自层错能(SFE)的降低以及硅原子与位错的相互作用，使得其内部位错运动受阻。退火后的Cu-20Zn-1.2Si合金优异的强度和塑性的综合力学性能源自其组织内部细小的晶粒、形变孪晶以及大量的退火孪晶和HAGBs的共同作用。

铜合金；层错能；力学性能；孪晶；退火行为

Cu-Zn系合金因其优异的力学性能、良好的电导率以及较高的耐腐蚀性被广泛应用于电子和机械等领域[1]。对于结构材料来说，强度和塑性是尤为重要的两个性能指标[2]。细化晶粒通常能够提高金属材料的强度。剧烈塑性变形(Severe plastic deformation, SPD)作为一种能够制备超细晶材料而受到了广泛关注[3−4]。利用SPD方法不仅可以制备出较大尺寸的样品，同时还可以避免在制备过程中引入空隙和污染源[5−6]。室温下SPD过程中的晶粒细化主要通过位错的运动来实现的。晶粒尺寸随着变形量的增加而减小。当位错的累积和湮灭达到一个动态平衡状态时，晶粒不能再通过这种机制被细化而达到一个饱和值[7]。变形温度是影响材料晶粒细化机制以及变形机制的一个重要参数。对于大多数面心立方金属来说，降低变形温度能够促使晶粒进一步细化。因为变形温度的降低有利于形变孪晶形成。低温变形时形变孪晶与位错相互作用使得晶粒进一步细化[8−10]。因此相比于其他SPD方 法[11−13]，低温变形不需要很大的变形量就可以获得超细晶。

经过SPD方法获得的超细晶材料通常强度很 高、塑性很低，这极大地限制了它们的实际工程应 用[14−15]。超细晶材料的塑性低是因为其内部位错密度几乎达到饱和以及细小的晶粒尺寸导致其加工硬化率低[16]。有研究表明[17−19]，通过降低材料的层错能使得材料的强度和塑性得到同步提升。层错能的降低有利于孪晶和层错的形成，孪晶和层错能够有效地阻碍位错的运动并且孪晶能够为位错累积提供存储空间。尽管降低层错能能够使得材料的强度和塑性得到同步提升，但是塑性提升的非常有限[14, 20]。变形后的退火处理是提升材料塑性的有效方法。材料经过剧烈塑性变形后的强度很高，随后的退火处理在提升塑性的同时虽然会降低材料的强度，但是材料的强度仍然较 高[21−22]。因此，通过剧烈塑性变形以及适当的退火处理能够使得材料获得较好的综合力学性能。

因此，本文作者通过向Cu-20Zn中加入硅元素来降低其层错能，使得其在液氮轧制后的性能得到提升，并且通过变形后的退火处理使得其综合力学性能得到进一步提升。同时，研究硅元素的添加对其力学性能和组织以及退火行为的影响。

1 实验

实验所用材料Cu-20%Zn和Cu-20%Zn-1.2%Si(质量分数)。将配料在GW−10型无芯中频感应炉中进行熔炼，经热轧、冷轧和中间退火后，得到实验所需的合金板材。添加的硅元素能够使得合金的层错能大大降低[23]。三元合金的层错能可由式(1)以及相关的二元合金层错能计算得到[24−25]：