基于热压缩的Cu-15Ni-8Sn合金动态再结晶行为研究

李立鸿，钟敏，吴渊，牛冬鑫，罗宗强，张卫文

塑性成形

基于热压缩的Cu-15Ni-8Sn合金动态再结晶行为研究

李立鸿1,2，钟敏1,2，吴渊1,2，牛冬鑫3，罗宗强3，张卫文3

（1. 汕头华兴冶金设备股份有限公司，广东 汕头 515063；2. 汕头华兴（饶平）铜业有限公司，广东 饶平 515726；3. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

获得Cu-15Ni-8Sn合金动态再结晶临界模型，描述热变形参数对动态再结晶晶粒尺寸的影响规律。基于前期通过Gleeble-3500热模拟机得到的热压缩实验数据，分析Cu-15Ni-8Sn合金在不同热变形参数下的再结晶晶粒尺寸及流变应力数据，采用线性回归拟合等方式建立动态再结晶模型，并利用数值模拟与实验相结合的方法验证模型精确度。采用YADA模型描述Cu-15Ni-8Sn合金的动态再结晶，通过线性拟合求得模型参数1=11 895.554，2=0.1503，3=0.1553，4=3.933×10−4，5=2995.6409，数值模拟与实验所得的平均晶粒度分别为16.7 μm和15.5 μm。变形温度和变形速率对Cu-15Ni-8Sn合金热变形中的再结晶过程有重要影响。变形温度越高，临界应变越小，越容易发生动态再结晶，动态再结晶晶粒尺寸越大；应变速率越小，动态再结晶晶粒尺寸越大。研究所构建的Cu-15Ni-8Sn合金动态再结晶临界模型具有较高精度，将为后续该合金热塑性变形工艺设定提供理论基础。

Cu-15Ni-8Sn合金；热压缩；动态再结晶临界模型

Cu-15Ni-8Sn是一种调幅分解强化型弹性铜合金，具有优异的力学性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，被广泛应用在海洋工程、机械、电子器件和航空航天等领域[1—3]。众多学者对该合金的相变、微合金化、制备工艺以及热处理等方面进行了大量的系统研究，并在实验室条件下制备出了兼具高强度和高塑性的Cu-15Ni-8Sn合金[4—6]。目前，研究依然侧重于实验室阶段，对于该合金的工程化应用鲜有相关报道。

在工程化应用过程中，大多数金属材料都至少经历一种塑性变形，如轧制、锻造和挤压。这些工艺不仅决定着材料的最终或近净形状，还可以有效减少气孔、夹渣等铸造缺陷[7]，尤其对于Cu-15Ni-8Sn合金而言，塑性变形工艺显得更为重要。该合金通常需要长时间的均匀化处理来解决Sn偏析问题，因此，采用塑性变形来细化均匀化退火导致的粗大晶粒，对提高合金的力学性能起着重要作用[8]。

在热塑性变形中，动态再结晶（Dynamic recrystallization, DRX）往往决定着合金最终的微观组织和力学性能。探究热变形参数和动态再结晶程度的相互关系对于控制热变形工艺中的组织演变具有重要意义[9]。动态再结晶临界模型是一种阐述这种相互关系的理论方程，并被广泛应用于Al，Ti，Fe等合金中[10—14]，为相应合金热变形参数的设定提供了精确可靠的理论依据。

文中以Cu-15Ni-8Sn合金为研究对象，通过热压缩实验研究合金的再结晶行为，并建立其动态再结晶临界模型，以期为该合金塑性加工工艺的制定提供理论指导。

1 实验

Cu-15Ni-8Sn合金熔体的熔炼采用电解铜、电解镍和高纯锡为原材料，在中频感应电阻炉中进行。先加入Cu和Ni，待二者熔化后再加入Sn，采用氩气精炼除气10 min后浇铸，最终铸锭的实际成分如表1所示。铸锭在840 ℃下均匀化处理8 h，随后加工成8 mm×12 mm的圆柱形试样，在Gleeble-3500热模拟机上进行压缩实验。热压缩实验温度为850，900，950 ℃，应变速率为0.1，1，10 s−1，总应变为0.9。

表1 Cu-15Ni-8Sn铸锭化学成分（质量分数）

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

采用线切割方式切去压缩试样纵截面，并用5 g FeCl3+10 mL HCL+100 mL H2O溶液腐蚀金相后，使用徕卡金相显微镜观察样品的微观组织，使用Image-Pro Plus软件测量其晶粒尺寸大小。

2 结果及分析

2.1 热压缩微观组织结果

图1—3分别为850，900，950 ℃条件下，热压缩试样的纵截面金相组织。通过三圆截点法计算了热压缩试样的晶粒尺寸，如表2所示。可知，试样均发生了动态再结晶过程，变形温度越高，动态再结晶晶粒尺寸越大，应变速率越小，动态再结晶晶粒尺寸越大。

图1 850 ℃下热压缩试样的纵截面金相

图2 900 ℃下热压缩试样的纵截面金相

图3 950 ℃下热压缩试样的纵截面金相

表2 热压缩试样再结晶晶粒尺寸

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

2.2 热压缩流变应力结果

热压缩流变应力曲线在先前的研究中已经进行了详细分析[9]。从流变应力曲线上的峰值应力可以得到对应的峰值应变，而动态再结晶的临界应变一般等于0.83倍的峰值应变，数据见表3，可以看出，变形温度越高，临界应变小，即越容易发生动态再结晶。

表3 不同变形温度下的临界应变

Tab.3 Critical strain under different deformation temperatures

2.3 再结晶临界模型的建立

采用YADA模型来描述Cu-15Ni-8Sn合金的动态再结晶行为。YADA模型[15]见式（1—2）所示：

2.3.11，2，3的计算

首先，对式（1）取自然对数得到式（3）：

以为横坐标，为纵坐标绘制散点图，进行最小二乘法线性拟合，如图4所示。拟合曲线斜率的平均值即为C2的值，截距为相应的S值。以1/T为横坐标，S为纵坐标绘制散点图，进行最小二乘法线性拟合，如图5所示。通过拟合曲线的斜率和截距可分别求出C3和C1的值。

图5 1/T与S关系

2.3.24和5的计算

对式（2）两端取自然对数得到式（4）：

以1/T为横坐标，ln εc为纵坐标绘制散点图，进行最小二乘法线性拟合，如图6所示。拟合曲线的斜率即为C5的值，截距即为ln C4的值。最终，再结晶晶粒尺寸YADA模型中C1—C5的值分别为11 895.554，0.1503，0.1553，3.933×10−4，2995.6409。

2.4 再结晶临界模型的验证

利用Marc软件进行热挤压变形的数值模拟，通过与相同条件下的热挤压实验结果进行比较，从而验证动态再结晶模型的准确性。数值模拟与实验过程采用的变形参数为：挤压锭胚直径为50 mm，最终挤压棒直径为12 mm，挤压速度为3 mm/s，挤压温度为900 ℃。文中在模具出口处沿垂直于挤压方向提取模拟数据作为最终的模拟结果，分析晶粒尺寸。锭胚通过模具出口后，不再发生塑性变形，动态再结晶过程消失，同时锭坯在完成热挤压之后进行了水冷处理；另一方面，该模型是对于动态再结晶过程的描述，因而应当以模具出口处的晶粒尺寸物理场作为最终模拟结果。

数值模拟晶粒尺寸结果见图7。通过对模具出口处模拟数据的分析，得到了晶粒尺寸分布，计算所得的平均晶粒度约为16.7 μm。图7b为挤压棒纵截面的典型金相组织。通过对50多个随机金相组织图像的统计分析，得到了对应的粒度尺寸分布，平均晶粒尺寸为15.5 μm。结果表明，该动态再结晶模型具有较高的准确性。

图7 再结晶模型验证结果

3 结论

1）Cu-15Ni-8Sn合金热变形过程发生动态再结晶行为，变形温度和变形速率对再结晶结果有重要影响。变形温度越高，动态再结晶晶粒尺寸越大；应变速率越小，动态再结晶晶粒尺寸越大。与此同时，变形温度越高，临界应变小，即越容易发生动态再结晶。

2）基于热压缩实验数据建立了Cu-15Ni-8Sn合金的动态再结晶临界模型，并通过实验与数值模拟相结合的方式，对构建的动态再结晶临界模型进行了验证。数值模拟计算所得的平均晶粒度约为16.7 μm，实际热压缩实验的平均晶粒尺寸为15.5 μm。该动态再结晶模型具有较高的准确性，能够为该合金热塑性变形工艺的设定提供理论指导。

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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

汕头市重大科技攻关项目（2019ST066）；潮州市科技计划（2019ZX17）

李立鸿（1969—），男，高级工程师，主要研究方向为铜合金构件成形。

张卫文（1969—），男，博士，教授，主要研究方向为金属材料的制备与成形。