摘 要:對未退火硬態紫銅和退火處理得到的軟態紫銅進行室溫應變控制對稱循環和應力控制 非對稱循環變形試驗,研究了退火處理對紫銅顯微組織和棘輪行為的影響。結果表明:退火處理會 增大紫銅的晶粒尺寸,影響紫銅的循環軟/硬化特性;兩種狀態紫銅均表現出明顯的棘輪行為,且其 棘輪行為依賴于外加應力水平;應力幅的增大會顯著影響硬態紫銅棘輪演化第III階段的棘輪應 變速率,對軟態紫銅第II階段的棘輪應變速率影響較小;平均應力越大,硬態紫銅的棘輪演化從第 II階段進入第III階段的速度越快,但平均應力對軟態紫銅第II階段棘輪應變速率的影響不顯著。

關鍵詞:退火處理;紫銅;循環軟化;循環硬化;棘輪行為

中圖分類號:TG146.1 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)01-0073-06

0 引 言 

大多數工程構件在服役過程中,常因承受交變 載荷而發生疲勞斷裂。棘輪行為(棘輪效應)是指材 料在非對稱應力循環過程中產生非彈性變形循環累 積的現象[1]。相較于普通應變控制下的疲勞失效行 為,同時發生棘輪效應時材料的疲勞失效機理因棘 輪-疲勞交互作用而顯得更為復雜[2]。國內已有大 量關于各類鋼材棘輪行為的試驗研究[3-5]和本構描 述[6-8],但紫銅的棘輪行為研究少見報道[9-10];而棘 輪行為研究是分析紫銅在棘輪效應下疲勞行為的基 礎。紫銅的熔點為 1083 ℃,再結晶溫度為 133~ 269 ℃,憑借良好的導電性及耐腐蝕性而廣泛應用 于電子工業和壓力開關中。紫銅在成形后通常會進 行退火處理,在消除成形過程引入的殘余應力和組 織缺陷的同時,改變其顯微組織,從而影響其力學性 能[11]。由于材料的棘輪行為與其組織初始狀態具 有密切關聯[12],因此,退火處理會使紫銅表現出不 同的棘輪行為。 目前有關退火處理對紫銅棘輪行為的影響研究少見報道。為此,作者對成形后的紫銅進行了退火 處理,研究了退火處理對其組織棘輪行為的影響,為 后續紫銅棘輪行為本構關系的建立及紫銅在工程實 際中的應用提供參考。 

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為浙江鴻耀高新銅材有限公司提供的 拉拔成形硬態 T2紫銅棒,其直徑為20 mm。該紫 銅為面心立方(FCC)結構,化學成分如表1所示。

1所示的硬態紫銅試樣。對部分硬態紫銅試樣進行 退火處理,隨爐升溫至550 ℃,保溫1h后隨爐冷 卻,得到軟態紫銅試樣(紫銅在550℃下會發生再結 晶和晶粒長大,硬度降低[11])。

金相試樣取自標距段橫截面,經打磨拋光后,用 由8g六水三氯化鐵、50mL鹽酸和100mL去離子 水組成的溶液腐蝕后,采用 AxioObserverA1型倒 置光學顯微鏡觀察硬態紫銅和軟態紫銅的顯微組 織。

采用 CRIMS-RPL100型電子式蠕變疲勞試驗 機對紫銅試樣進行單調拉伸試驗、應變控制對稱循 環變形試驗和應力控制非對稱循環變形試驗。通過 CCPS5.0控制系統控制閉環及數據采集,使用標距 為25mm 的引伸計進行軸向應變測試。單調拉伸 試驗 采 用 準 靜 態 加 載 方 式,應 變 速 率 為 2× 10-3s-1;對硬態紫銅進行應變幅為 0.4%,0.5%、 0.6%的應變控制對稱循環試驗(即平均應變為0, 應變比為-1);對軟態紫銅進行應變幅為0.5%的 應變控制對稱循環試驗。應力控制非對稱循環變形 試 驗 中,加 載 波 形 為 三 角 波,應 力 加 載 速 率 為 50MPa·s-1。硬態紫銅的應力加載條件如下:第1 組平 均 應 力 為 50 MPa,應 力 幅 分 別 為 170,180, 190MPa;第2組應力幅為180MPa,平均應力分別 為40,50,60MPa。軟 態 紫 銅 的 應 力 加 載 條 件 如 下:第1組平均應力為20MPa,應力幅分別為60, 80,100MPa;第2組應力幅為10 MPa,平均應力分 別為10,20,40,60,80MPa。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出:硬態紫銅中存在孿晶結構,晶 粒細小且晶界密度大;經550 ℃退火時紫銅發生再 結晶,晶粒長大,晶粒尺寸明顯大于硬態紫銅,但同 樣能觀測到孿晶結構。

2.2 單調拉伸應力-應變曲線

由圖3可知,硬態紫銅和軟態紫銅單調拉伸時 的應力-應變曲線均沒有明顯的屈服平臺,軟態紫銅 具有明顯的應變強化階段、較低的屈服強度和較大 的斷后伸長率;而硬態紫銅的應變強化階段不顯著, 屈服強度較高,斷后伸長率較低。 由表2可知,硬態紫銅和軟態紫銅的彈性模量 相差不大,但硬態紫銅的屈服強度和抗拉強度明顯 高于軟態紫銅,而軟態紫銅的延展性優于硬態紫銅。 這是因為硬態紫銅的晶粒尺寸明顯小于軟態紫銅, 晶粒越細,材料強度越高;此外,晶粒的細小意味著 更多數量的晶界,宏觀塑性變形難在晶粒尺度上得 到協調,其塑性變形能力更差。

2.3 應變控制對稱循環變形行為 

觀察應力幅σa 隨循環周次的變化情況,分析熱 處理后紫銅材料的循環軟/硬化特征。應力幅σa 定 義為 σa =σmax2-σmin (1) 式中:σmax 和σmin 分別為每一個應變循環中響應的 峰值應力和谷值應力。 循環硬化或軟化特性是指在循環加載過程中, 若施加給定的應變幅,應力幅隨著循環次數的增加 變得越來越大或越小的現象[2]。 由圖4可以看出,在不同外加應變幅下,隨著循 環周次的增加,硬態紫銅的峰值應力和谷值應力均 逐漸減小,應力幅及其降低速率逐漸減小,最終應力 幅趨于穩定。由此可以說明硬態紫銅為明顯的循環 軟化材料。 由圖5可以看出:隨著循環周次的增加,軟態紫 銅的峰值應力和谷值應力均增大,應力幅逐漸增大, 表現出明顯的循環硬化特性;經過一定的循環周次 后,應力幅漸趨穩定,循環硬化行為達到飽和。

位錯的增殖與湮滅以及位錯和晶界的交互作 用,決定了材料的循環軟/硬化特性:若位錯增殖速 度快于湮滅速度,則表現出循環硬化,反之則表現出 循環軟化;晶界對位錯滑移的阻礙作用也會引起材 料的循環硬化[13]。硬態紫銅的內部具有極高的位 錯密度,小角度晶界較多,在冷變形中由于滑移及變 形程度的增加,位錯密度和晶格畸變較大。在循環 變形時,硬態紫銅中位錯的增殖速度低于湮滅速度, 同時大角度晶界數量較少,對位錯的阻礙作用較弱, 因此表現出明顯的循環軟化特性。退火能有效改變晶粒形狀,并降低初始加工引起的高位錯密度;退火 處理過程中紫銅能夠進行充分的再結晶,小角度晶 界減少而大角度晶界增加,位錯密度也有效降低。 因此,在循環變形時,軟態紫銅中位錯的增殖速度高 于湮滅速度,且位錯在大角度晶界處會被阻礙,從而 出現宏觀的循環硬化現象。

2.4 應力控制非對稱循環變形行為

由圖6可以看出:硬態紫銅在循環初期(約前 100周次)的應力-應變滯回環小,塑性變形累積不 明顯,這是因為在應力水平為(50±180)MPa下, 硬態紫銅一 開 始 處 于 宏 觀 彈 性 變 形 階 段,幾 乎 沒 有棘輪應變的產生;隨著循環周次的增加,硬態紫 銅表現出循 環 軟 化 特 性,開 始 產 生 明 顯 的 塑 性 變 形并逐漸 累 積,最 終 產 生 明 顯 的 棘 輪 變 形。軟 態 紫銅在給定應力水平(20±100)MPa下,其應力- 應變滯回環 循 環 初 期 較 為 明 顯,塑 性 變 形 程 度 較 高,產生明顯的棘輪行為,這是因為外加峰值應力 高于屈服強度,軟態紫銅產生明顯的棘輪行為;隨著 循環周次的增加,軟態紫銅表現出循環硬化特性,滯 回環逐漸變窄。

采用工程應變形式的軸向棘輪應變εr 來表征 棘輪變形的大小,其定義[1]為 εr =(εmax -εmin)/2 (2) 式中:εmax 和εmin 分別為每一個應力循環中測得的 最大和最小軸向工程應變。 

2.4.1 應力幅對棘輪行為的影響 

硬態紫銅的棘輪行為演化可以分為3個階段: 第I階段為循環初期的棘輪應變速率衰減階段,第 II階段為循環中期的常棘輪應變速率階段,第III 階段為循環后期棘輪應變速率增加階段。軟態紫銅 的棘輪行為演化分為兩個階段:第I階段為循環初 期的棘輪應變速率衰減階段,第II階段為后期的常 棘輪應變速率階段。紫銅材料的循環軟化特性會促 進其棘輪行為的發展,而循環硬化特性會削弱其棘 輪行為,這與其他合金材料的循環軟/硬化行為對棘 輪行為的影響一致[10]。 由圖7可以看出,平均應力恒定時,隨著應力幅的 增加,紫銅的棘輪應變和棘輪應變速率均單調增長。 應力幅對硬態紫銅的棘輪3階段演化特征影響 顯著,應力幅越高,從第II階段的常棘輪應變速率 階段進入第III階段棘輪應變速率增加階段的速度 越快 ,且 第III階 段 的 棘 輪 應 變 速 率 越 高 。在 較 低應力幅下(170 MPa),由于峰值加載應力遠低于硬 態紫銅的屈服強度,硬態紫銅幾乎不產生棘輪變形; 在中等應力幅下(180 MPa),棘輪演化則表現出明 顯的3階段特征;在較高應力幅下(200 MPa),棘輪 演化的前兩個階段不明顯,以第III階段演化為主。 所有應力幅下軟態紫銅都表現出明顯的兩階段演化 特征。應力幅為60 MPa時,軟態紫銅在棘輪演化 的第II階段過程中棘輪應變速率幾乎為0;應力幅 為80MPa時,紫銅在第II階段出現準棘輪安定現 象[2],棘輪應變速率接近為0;應力幅為100MPa時 則在棘輪變形的第II階段未達到準棘輪安定狀態, 棘輪應變仍以顯著的速率不斷累積。 

2.4.2 平均應力對棘輪行為的影響 

由圖8可以看出,軟/硬紫銅的棘輪應變和棘 輪應變速率都隨平均應力增加而單調增加。硬態 紫銅呈現出 3 階 段 棘 輪 演 化 特 征,外 加 平 均 應 力 越大,則 其 從 第II階 段 進 入 第III階 段 的 速 度 越 快,但從第I階 段 過 渡 到 第II階 段 的 速 度 幾 乎 不 變,平均應力的變化顯著影響到硬態紫銅第III階 段的棘輪應變速率。軟態紫銅呈現兩階段棘輪演 化特征,平均應力不同時,軟態紫銅在相近的循環 周次(約第10周次)下從第I階段進入第II階段, 平均應力的變化對第II階段棘輪應變速率的影響 并不顯著。

3 結 論 

(1)退火處理會使紫銅發生再結晶,晶粒尺寸 增大,屈服強度和抗拉強度降低,導致紫銅出現不同 的循環軟/硬化特性。

(2)在應變控制對稱的循環變形過程中,未退 火處理硬態紫銅的應力幅隨循環周次的增加逐漸減 小,表現出循環軟化特性;而經過550℃退火處理后 的軟態紫銅的應力幅隨循環周次的增加逐漸增大, 表現出循環硬化特性。

(3)在應力控制非對稱循環加載下,隨著循環 周次的增加,硬態紫銅的應力-應變滯回環逐漸變 寬,棘輪應變速率呈現增大的趨勢,并表現出3階段 棘輪演化特征;軟態紫銅的應力-應變滯回環逐漸變 窄,棘輪應變速率呈現逐漸減小的趨勢,表現出兩階 段棘輪演化特征。

(4)不同狀態下紫銅的棘輪行為都明顯依賴于 外加應力水平,棘輪應變與棘輪應變速率均隨平均 應力和應力幅的增大而單調增大。應力幅值的增大 顯著影響硬態紫銅棘輪演化第III階段的棘輪應變速 率,但對軟態紫銅第II階段的棘輪應變速率影響較 小;平均應力越大,硬態紫銅的棘輪變形從第II階段 進入第III階段越快,但對于軟態紫銅,平均應力的變 化對第II階段棘輪應變速率的影響并不顯著。

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< 文章來源>材料與測試網 > 機械工程材料 > 46卷 >