微量鑭對(duì)純銅晶粒大小及硬度的影響

趙軒　孟祥鋒　周丹

摘 要 金屬材料的性能和晶粒大小有著密切關(guān)系，工業(yè)生產(chǎn)中常常通過不同的手段細(xì)化材料的晶粒，控制和改善銅及其合金組織，提高材料性能。文章通過在純銅中添加微量稀土元素鑭，研究鑭對(duì)純銅晶粒大小和硬度的影響，分析產(chǎn)生變化的原因。

關(guān)鍵詞 純銅；鑭；晶粒；硬度

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）14-0064-01

稀土元素作為一種添加劑在黑色金屬中的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并在鋼鐵工業(yè)中成熟運(yùn)用，并表現(xiàn)出良好的效

果[1]。而稀土元素在有色金屬中的應(yīng)用，近些年來也越來越受到更廣泛的關(guān)注。關(guān)于稀土對(duì)銅和銅合金的作用方面也已做了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究工作?，F(xiàn)在學(xué)者們普遍認(rèn)為稀土的加入可以使銅及銅合金的熱塑性能、耐腐蝕性能、導(dǎo)電性能、機(jī)械性能等得到改善[2]。銅及銅合金中的雜質(zhì)有氧、氫、硫、氮、鉛、秘等，這些元素的存在使銅的機(jī)械性能等受到很大影響。稀土元素對(duì)氧、氫、硫、氮等具有較高的親合力，可以起到凈化合金的作用，提高合金的性能和質(zhì)量[3]。有文獻(xiàn)[4]記載不同稀土含量可以影響銅合金硬度。當(dāng)稀土加入量增加時(shí)，銅合金的硬度也增加，而硬度達(dá)到某一值后增加則趨于平緩。文獻(xiàn)[5]討論了稀土對(duì)連續(xù)鑄造紫銅桿的變質(zhì)作用，指出添加微量稀土元素釔或混合稀土可細(xì)化鑄桿的晶粒，提高紫銅桿的機(jī)械性能。

本文通過在純銅中加入稀土元素鑭，采用真空熔煉，分析研究微量稀土元素鑭對(duì)純銅晶粒大小和硬度的影響，為稀土在銅中作用的研究做基礎(chǔ)性工作。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

原材料采用99.9%的T2純銅和純度都大于99.9%的稀土金屬鑭。純銅在加熱前要進(jìn)行使用碳酸鈉水溶液表面處理和預(yù)熱去氣。粉末狀稀土鑭和紫銅棒一起放入事先烘干的石墨坩堝中，放入真空熔煉爐中加熱到設(shè)計(jì)溫度，保溫預(yù)定時(shí)間，然后采用爐冷。通過不同的成分配比加工成成分0.02、0.04、0.06、0.08和0.1wt%系列的Cu-Re合金試樣。在XLM-20型金相顯微鏡下觀察組織，并做定量金相分析。在布氏硬度機(jī)測(cè)量試樣的硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.2 鑭對(duì)晶粒大小的影響

晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的數(shù)值表示有多種。為了更方便直觀，本實(shí)驗(yàn)采用金相法測(cè)量的晶粒大小用公稱直徑表示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們能清楚的看到微量鑭的加入起到細(xì)化晶粒的作用。

學(xué)者普遍認(rèn)為稀土元素能脫氧和去除雜質(zhì)的能力都很強(qiáng)，并且和銅液中的硅、鐵等雜質(zhì)形成難溶的多元稀土化合物[6]，由于這些化合物熔點(diǎn)高。熔煉過程中常以顆粒狀懸浮于熔體之中，形成結(jié)晶形核的基底，增加了細(xì)小等軸晶的生成，從而細(xì)化晶粒。另一方面，鑭原子半徑大于銅的原子半徑，進(jìn)入銅相晶格內(nèi)引起較大的晶格畸變，產(chǎn)生較大的畸變能，使系統(tǒng)能量增加，稀土原子只能向高能量的晶界富集，使系統(tǒng)保持最低的自由能。所以鑄態(tài)組織中鑭原子大部分沿晶界分布，而且阻滯晶粒得長大。在以上兩方面的作用下，純銅的晶粒被細(xì)化了。

2.3 鑭對(duì)純銅硬度的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，稀土鑭對(duì)純銅硬度影響隨著稀土加入量的增加硬度逐漸增大，并且當(dāng)含量超過0.08wt%時(shí)，硬度顯著提高。

試驗(yàn)過程中，稀土元素的加入量逐漸增加，合金成分的變化帶來了組織結(jié)構(gòu)的變化，這一點(diǎn)可以通過硬度試驗(yàn)?zāi)苊舾械姆从吵鰜?。最初?dāng)鑭的加入量很少時(shí)，稀土原子進(jìn)入銅晶格的間隙中，產(chǎn)生晶格畸變，引起固溶強(qiáng)化。這種強(qiáng)化是由于晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的交互作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而強(qiáng)化。同時(shí)溶質(zhì)原子本身與位錯(cuò)的交互作用也引起強(qiáng)度的變化。另一方面，晶粒大小也會(huì)影響性能，主要反映在晶界的影響。減小晶粒尺寸可以增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)量，減小同一晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積長度，而在一個(gè)晶粒內(nèi)部只有塞積更多數(shù)量的位錯(cuò)才能給相鄰晶粒位錯(cuò)源的開動(dòng)提供必要?jiǎng)恿?，這就增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。再有晶粒越細(xì)小，晶界就越多越曲折，越不利于裂紋的傳播，從而在斷裂前可承受較大的塑性變形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到，加入少量的鑭之后，晶粒細(xì)化，增加晶界對(duì)位錯(cuò)阻礙，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。此外由于鑭的加入，還會(huì)形成鑭和銅的金屬間化合物。這些金屬間化合物粒子較硬，分布于基體中，成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。隨著稀土含量增加，粒子數(shù)增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，合金被強(qiáng)化的程度增加，因此合金的硬度增加。在以上幾方面原因共同作用下，鑭使純銅的硬度提高。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在純銅中添加微量的稀土元素鑭，可以起到細(xì)化晶粒的作用，并且隨著鑭元素加入量的增加，細(xì)化作用會(huì)更明顯。微量的稀土元素鑭能夠提高純銅的硬度，當(dāng)加入量超過0.08wt%時(shí)，強(qiáng)化作用更加明顯。從晶粒大小和硬度之間的變化關(guān)系可以推斷，晶粒越細(xì)小硬度越高。

參考文獻(xiàn)

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