加载方式对Cu棒晶粒细化的影响

吕枫，詹金文，马秋晨，李昱龙，林昌棠，邓将华

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108)

0 引言

随着科学技术的发展，对材料综合性能的要求不断提高。细化晶粒是控制金属材料组织的最重要和最基本的方法，是提高材料强度和力学性能的途径之一[1-4]。如超细晶(0.1～10μm)金属材料，由于具有良好的物理和力学性能而获得广泛的关注[5-6]。

细化晶粒方法按细化手段可分为物理和化学两大类。物理方法主要包括形变处理细化法、物理场细化、快速冷却法、机械物理细化法；化学方法可分为添加细化剂和添加变质剂方法。在磁脉冲载荷作用下，材料能够产生大变形[7-9]。在大变形下，材料的晶粒能被破碎、急剧拉长，是一种晶粒细化的新方法，属于晶粒细化的物理方法。磁脉冲成形是一种高能率成形技术，其加载速率高，能量可精确调控[10-13]。相对于准静态加载而言，其高应变速率能提高材料的成形极限，并且在高应变速率下，材料从微观组织到宏观性能都表现出不同于准静态加载的变形规律[7]。为了研究加载方式对材料晶粒细化的影响，本文采取试验方法，从宏观和微观角度研究准静态和磁脉冲加载对Cu棒镦粗变形规律和晶粒细化的影响，探讨晶粒细化的机理和途径，为拓宽磁脉冲成形技术的应用奠定基础。

1 试验条件

为研究晶粒细化效果，试验采取镦粗方式，试验材料为T2级铜棒，直径为φ4mm，高为6mm，其质量分数如表1所示。

表1 Cu棒质量分数 wt%

准静态加载采用CMT5305型电子万能试验机，最大压力为300kN，下压速度为1mm/min。磁脉冲加载采用高电压和低电压电磁成形设备。高电压设备放电电压：0～7.0kV；低电压设备放电电压：0～400V。圆棒坯料磁脉冲镦粗试验装置示意图如图1所示。

图1 磁脉冲镦粗试验装置示意图

图2为原始试样显微组织形貌照片。原始纯Cu圆棒试样的显微组织形貌呈树枝形拉拔状，未能看到晶界。为了研究晶粒细化效果，需对原始试样进行热处理。通过400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃加热处理均能观察到相应的晶粒组织，当加热温度为800 ℃，保温时间2 h时为最佳工艺，Cu棒试样的显微组织如图3所示。热处理后，试样晶粒粗大，晶界清晰，可用来研究Cu棒晶粒细化效果。

图2 试样原始显微组织

图3 热处理后试样显微组织

2 试验结果与分析

2.1 低电压镦粗Cu棒试样变形分析

高为6 mm圆棒试样，在低电压时，不同放电电压下Cu棒试样变形情况如图4所示。随着放电电压的升高，试样变形量增加。这是因为随着放电电压的升高，放电能量增加。随着放电能量的增加，加载的冲击力增加，使试样变形量增加。

图4 低电压不同放电电压下Cu棒试样的变形

Cu棒试样经变形后的显微组织如图5所示。变形后试样晶粒破碎，晶界难以辨认。随着变形量的增加，晶粒破碎严重，晶粒被急剧拉长。

图5 低电压不同放电电压试样金相显微组织

为分析试样变形后的晶粒细化效果，对变形后的试样加热至400 ℃，保温1 h，随炉冷却。图6为低电压下不同放电电压回火后试样的金相显微组织。随着放电电压增大，回火后试样晶粒尺寸随之减小。

图6 低电压不同放电电压回火后试样金相显微组织

根据图6中显微组织的横、纵晶粒数目计算晶粒的平均尺寸，并绘制曲线。图7为低电压下试样晶粒平均尺寸和变形量与电压的关系曲线。由图7可知：试样晶粒平均尺寸和变形量的变化趋势相反，随放电电压增加，试样变形量增加，而晶粒平均尺寸减小。当放电电压达到最大时，相应的变形量也达到最大，此时晶粒平均尺寸最小，细化效果最好。放电电压为80V时，变形量约为30%，试样晶粒平均尺寸约为65.5μm。当放电电压达到160V时，变形量达到80%，此时试样晶粒平均尺寸约为17.5μm。可见放电电压对晶粒细化具有重大影响。低电压时，在电压增加的初期阶段，变形量急剧增大，试样晶粒平均尺寸急剧减小。在电压增加的后期阶段，变形量增加，但增加幅度相比之前有所下降，试样晶粒平均尺寸减小的幅度也相应降低。

图7 低电压试样晶粒平均尺寸和变形量与电压的关系曲线

2.2 高电压镦粗Cu棒试样变形分析

在高电压时，不同放电电压下Cu棒试样变形情况如图8所示。随着放电电压的升高，试样高度减小，直径增大，其变形量增加。

图8 高电压不同放电电压Cu棒试样的变形

高电压镦粗试样的显微组织与低电压时类似，同样发现晶粒破碎，晶界不明显等情况。为分析试样变形后的晶粒尺寸，对变形后的试样进行回火处理，回火工艺与低电压时相同。图9为高电压下不同放电电压回火后试样金相显微组织。由图9可知，随着放电电压增大，即随着变形量增加，回火后试样晶粒尺寸随之减小。

图9 高电压不同放电电压回火后试样金相显微组织

图10为高电压下试样晶粒平均尺寸和变形量与放电电压的关系曲线。高电压下，随着放电电压增加，试样变形量增加，其晶粒平均尺寸则随之减小。在高电压增加的前后阶段，试样晶粒平均尺寸和变形量的变化情况与低电压类似，都是先急剧变化而后缓慢变化。在2 300V时，变形量为30%，试样晶粒平均尺寸约为45μm，相比低电压在相同变形量时减小31%；在3 700V时，变形量为80%，此时试样晶粒平均尺寸约为15.5μm，接近低电压的值，可见，高电压时随着放电电压增加，初期阶段试样晶粒平均尺寸减小的幅度比低电压大，晶粒细化效果更明显。而在后期，高电压增加对试样晶粒平均尺寸的影响几乎与低电压相同，但整体而言，在高电压作用下，试样晶粒平均尺寸小，细化效果明显。

图10 高电压试样晶粒平均尺寸和变形量与电压的关系曲线

对比分析低电压与高电压加载试样晶粒平均尺寸的变化曲线可知，随着放电电压值的增加，试样晶粒平均尺寸减小的趋势随之降低，细化效果随之减弱。当放电电压达到一定值，即变形量达到一定程度时，试样晶粒平均尺寸会趋于稳定在一定范围内，晶粒不能无限细化下去，存在一个范围。因此，为达到晶粒细化的最佳效果，可根据变形量来确定加载电压值。

2.3 准静态镦粗Cu棒试样变形分析

准静态镦粗试样显微组织与冲击加载时类似，同样发现晶粒破碎，晶界不明显等情况。为分析试样变形后的晶粒细化效果，对变形后的试样进行回火，回火工艺与低电压时相同。图11为准静态加载时不同变形量回火后试样金相显微组织。由图可知，随着变形量增大，试样晶粒尺寸随之减小。

图11 准静态不同变形量经回火后试样金相显微组织

图12为准静态加载下试样晶粒平均尺寸与变形量的关系曲线。由图可知，随着变形量增加，试样晶粒的平均尺寸随之减小，且减小的幅度越来越缓慢。

图12 准静态加载试样晶粒平均尺寸与变形量的关系曲线

2.4 不同加载方式下晶粒细化效果分析

不同加载方式试验分别通过磁脉冲低电压、高电压以及准静态加载来实现，这3种方式分别对应不同的加载速率。高电压加载速率最大，低电压次之，准静态加载速率最小。为便于分析不同加载速率下Cu棒试样晶粒平均尺寸的变化，将变形量作为一个固定值，比较高电压、低电压、准静态下试样晶粒平均尺寸的大小。变形量为30%、60%、80%所对应的试样晶粒平均尺寸的大小如表2所示。

由表2可知，在相同变形量下，高电压加载时试样晶粒平均尺寸最小，低电压次之，准静态最大，即加载速率越快，试样晶粒平均尺寸越小，晶粒细化越明显。3种加载方式，在变形量从30%增大到60%时试样晶粒尺寸均显著减小，而变形量从60%增大到80%时晶粒尺寸减小幅度下降。整体而言，3种加载方式都能够细化晶粒，且随着加载速率的增大，晶粒细化效果增强。

表2 不同加载方式下不同变形量试样的晶粒尺寸

3 结语

1) 磁脉冲加载是一种有效的晶粒细化的方式，在磁脉冲加载方式下，随着放电电压增加，试样变形量增加，晶粒细化效果越显著；

2) 在相同变形量时，高电压下晶粒平均尺寸较低电压小，高电压比低电压具有更好的晶粒细化效果；

3) 不同加载方式下，随着加载速率增加，试样晶粒平均尺寸愈小，晶粒细化效果愈明显。

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