加載方式對Cu棒晶粒細化的影響

呂楓，詹金文，馬秋晨，李昱龍，林昌棠，鄧將華

(福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對材料綜合性能的要求不斷提高。細化晶粒是控制金屬材料組織的最重要和最基本的方法，是提高材料強度和力學性能的途徑之一[1-4]。如超細晶(0.1～10μm)金屬材料，由于具有良好的物理和力學性能而獲得廣泛的關(guān)注[5-6]。

細化晶粒方法按細化手段可分為物理和化學兩大類。物理方法主要包括形變處理細化法、物理場細化、快速冷卻法、機械物理細化法；化學方法可分為添加細化劑和添加變質(zhì)劑方法。在磁脈沖載荷作用下，材料能夠產(chǎn)生大變形[7-9]。在大變形下，材料的晶粒能被破碎、急劇拉長，是一種晶粒細化的新方法，屬于晶粒細化的物理方法。磁脈沖成形是一種高能率成形技術(shù)，其加載速率高，能量可精確調(diào)控[10-13]。相對于準靜態(tài)加載而言，其高應(yīng)變速率能提高材料的成形極限，并且在高應(yīng)變速率下，材料從微觀組織到宏觀性能都表現(xiàn)出不同于準靜態(tài)加載的變形規(guī)律[7]。為了研究加載方式對材料晶粒細化的影響，本文采取試驗方法，從宏觀和微觀角度研究準靜態(tài)和磁脈沖加載對Cu棒鐓粗變形規(guī)律和晶粒細化的影響，探討晶粒細化的機理和途徑，為拓寬磁脈沖成形技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗條件

為研究晶粒細化效果，試驗采取鐓粗方式，試驗材料為T2級銅棒，直徑為φ4mm，高為6mm，其質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 Cu棒質(zhì)量分數(shù) wt%

準靜態(tài)加載采用CMT5305型電子萬能試驗機，最大壓力為300kN，下壓速度為1mm/min。磁脈沖加載采用高電壓和低電壓電磁成形設(shè)備。高電壓設(shè)備放電電壓：0～7.0kV；低電壓設(shè)備放電電壓：0～400V。圓棒坯料磁脈沖鐓粗試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 磁脈沖鐓粗試驗裝置示意圖

圖2為原始試樣顯微組織形貌照片。原始純Cu圓棒試樣的顯微組織形貌呈樹枝形拉拔狀，未能看到晶界。為了研究晶粒細化效果，需對原始試樣進行熱處理。通過400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃加熱處理均能觀察到相應(yīng)的晶粒組織，當加熱溫度為800 ℃，保溫時間2 h時為最佳工藝，Cu棒試樣的顯微組織如圖3所示。熱處理后，試樣晶粒粗大，晶界清晰，可用來研究Cu棒晶粒細化效果。

圖2 試樣原始顯微組織

圖3 熱處理后試樣顯微組織

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 低電壓鐓粗Cu棒試樣變形分析

高為6 mm圓棒試樣，在低電壓時，不同放電電壓下Cu棒試樣變形情況如圖4所示。隨著放電電壓的升高，試樣變形量增加。這是因為隨著放電電壓的升高，放電能量增加。隨著放電能量的增加，加載的沖擊力增加，使試樣變形量增加。

圖4 低電壓不同放電電壓下Cu棒試樣的變形

Cu棒試樣經(jīng)變形后的顯微組織如圖5所示。變形后試樣晶粒破碎，晶界難以辨認。隨著變形量的增加，晶粒破碎嚴重，晶粒被急劇拉長。

圖5 低電壓不同放電電壓試樣金相顯微組織

為分析試樣變形后的晶粒細化效果，對變形后的試樣加熱至400 ℃，保溫1 h，隨爐冷卻。圖6為低電壓下不同放電電壓回火后試樣的金相顯微組織。隨著放電電壓增大，回火后試樣晶粒尺寸隨之減小。

圖6 低電壓不同放電電壓回火后試樣金相顯微組織

根據(jù)圖6中顯微組織的橫、縱晶粒數(shù)目計算晶粒的平均尺寸，并繪制曲線。圖7為低電壓下試樣晶粒平均尺寸和變形量與電壓的關(guān)系曲線。由圖7可知：試樣晶粒平均尺寸和變形量的變化趨勢相反，隨放電電壓增加，試樣變形量增加，而晶粒平均尺寸減小。當放電電壓達到最大時，相應(yīng)的變形量也達到最大，此時晶粒平均尺寸最小，細化效果最好。放電電壓為80V時，變形量約為30%，試樣晶粒平均尺寸約為65.5μm。當放電電壓達到160V時，變形量達到80%，此時試樣晶粒平均尺寸約為17.5μm?？梢姺烹婋妷簩Я＜毣哂兄卮笥绊?。低電壓時，在電壓增加的初期階段，變形量急劇增大，試樣晶粒平均尺寸急劇減小。在電壓增加的后期階段，變形量增加，但增加幅度相比之前有所下降，試樣晶粒平均尺寸減小的幅度也相應(yīng)降低。

圖7 低電壓試樣晶粒平均尺寸和變形量與電壓的關(guān)系曲線

2.2 高電壓鐓粗Cu棒試樣變形分析

在高電壓時，不同放電電壓下Cu棒試樣變形情況如圖8所示。隨著放電電壓的升高，試樣高度減小，直徑增大，其變形量增加。

圖8 高電壓不同放電電壓Cu棒試樣的變形

高電壓鐓粗試樣的顯微組織與低電壓時類似，同樣發(fā)現(xiàn)晶粒破碎，晶界不明顯等情況。為分析試樣變形后的晶粒尺寸，對變形后的試樣進行回火處理，回火工藝與低電壓時相同。圖9為高電壓下不同放電電壓回火后試樣金相顯微組織。由圖9可知，隨著放電電壓增大，即隨著變形量增加，回火后試樣晶粒尺寸隨之減小。

圖9 高電壓不同放電電壓回火后試樣金相顯微組織

圖10為高電壓下試樣晶粒平均尺寸和變形量與放電電壓的關(guān)系曲線。高電壓下，隨著放電電壓增加，試樣變形量增加，其晶粒平均尺寸則隨之減小。在高電壓增加的前后階段，試樣晶粒平均尺寸和變形量的變化情況與低電壓類似，都是先急劇變化而后緩慢變化。在2 300V時，變形量為30%，試樣晶粒平均尺寸約為45μm，相比低電壓在相同變形量時減小31%；在3 700V時，變形量為80%，此時試樣晶粒平均尺寸約為15.5μm，接近低電壓的值，可見，高電壓時隨著放電電壓增加，初期階段試樣晶粒平均尺寸減小的幅度比低電壓大，晶粒細化效果更明顯。而在后期，高電壓增加對試樣晶粒平均尺寸的影響幾乎與低電壓相同，但整體而言，在高電壓作用下，試樣晶粒平均尺寸小，細化效果明顯。

圖10 高電壓試樣晶粒平均尺寸和變形量與電壓的關(guān)系曲線

對比分析低電壓與高電壓加載試樣晶粒平均尺寸的變化曲線可知，隨著放電電壓值的增加，試樣晶粒平均尺寸減小的趨勢隨之降低，細化效果隨之減弱。當放電電壓達到一定值，即變形量達到一定程度時，試樣晶粒平均尺寸會趨于穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，晶粒不能無限細化下去，存在一個范圍。因此，為達到晶粒細化的最佳效果，可根據(jù)變形量來確定加載電壓值。

2.3 準靜態(tài)鐓粗Cu棒試樣變形分析

準靜態(tài)鐓粗試樣顯微組織與沖擊加載時類似，同樣發(fā)現(xiàn)晶粒破碎，晶界不明顯等情況。為分析試樣變形后的晶粒細化效果，對變形后的試樣進行回火，回火工藝與低電壓時相同。圖11為準靜態(tài)加載時不同變形量回火后試樣金相顯微組織。由圖可知，隨著變形量增大，試樣晶粒尺寸隨之減小。

圖11 準靜態(tài)不同變形量經(jīng)回火后試樣金相顯微組織

圖12為準靜態(tài)加載下試樣晶粒平均尺寸與變形量的關(guān)系曲線。由圖可知，隨著變形量增加，試樣晶粒的平均尺寸隨之減小，且減小的幅度越來越緩慢。

圖12 準靜態(tài)加載試樣晶粒平均尺寸與變形量的關(guān)系曲線

2.4 不同加載方式下晶粒細化效果分析

不同加載方式試驗分別通過磁脈沖低電壓、高電壓以及準靜態(tài)加載來實現(xiàn)，這3種方式分別對應(yīng)不同的加載速率。高電壓加載速率最大，低電壓次之，準靜態(tài)加載速率最小。為便于分析不同加載速率下Cu棒試樣晶粒平均尺寸的變化，將變形量作為一個固定值，比較高電壓、低電壓、準靜態(tài)下試樣晶粒平均尺寸的大小。變形量為30%、60%、80%所對應(yīng)的試樣晶粒平均尺寸的大小如表2所示。

由表2可知，在相同變形量下，高電壓加載時試樣晶粒平均尺寸最小，低電壓次之，準靜態(tài)最大，即加載速率越快，試樣晶粒平均尺寸越小，晶粒細化越明顯。3種加載方式，在變形量從30%增大到60%時試樣晶粒尺寸均顯著減小，而變形量從60%增大到80%時晶粒尺寸減小幅度下降。整體而言，3種加載方式都能夠細化晶粒，且隨著加載速率的增大，晶粒細化效果增強。

表2 不同加載方式下不同變形量試樣的晶粒尺寸

3 結(jié)語

1) 磁脈沖加載是一種有效的晶粒細化的方式，在磁脈沖加載方式下，隨著放電電壓增加，試樣變形量增加，晶粒細化效果越顯著；

2) 在相同變形量時，高電壓下晶粒平均尺寸較低電壓小，高電壓比低電壓具有更好的晶粒細化效果；

3) 不同加載方式下，隨著加載速率增加，試樣晶粒平均尺寸愈小，晶粒細化效果愈明顯。

[1] Z. Horita, T.G. Langdon. Achieving exceptional superplasticity in a bulk aluminum alloy processed by high-pressure torsion [J]. Scripta Materialia, 2008, 58: 1029-1032.

[2] D. H. Shin, J. J. Park, Y. S. Kim, et al. Constrained groove pressing and its application to grain refinement of aluminum [J]. Materials Science and Engineering: A, 2002, 328: 98-103.

[3] A. Krishnaiah, U. Chakkingal, V. Penugopal. Production of ultrafine grain sizes in aluminium sheets by severe plastic deformation using the technique of groove pressing [J]. Scripta Materialia, 2005, 52: 1229-1233.

[4] D.H. Shin, I. Kim, J. Kim, et al.Grain refinement mechanism during equal-channel angular pressing of a low-carbon steel [J]. Acta Materialia,2001, 49: 1285-1292.

[5] 康志新, 彭勇輝. 劇塑性變形制備超細晶/納米晶結(jié)構(gòu)金屬材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用展望[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(4): 587-598.

[6] Z. Horita, T. Fujinami, T. G. Langdon.The potential for scaling ECAP: effect of sample size on grain refinement and mechanical properties [J]. Materials Science and Engineering: A, 2001, 318: 34-41.

[7] 李春峰. 高能率成形技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001.

[8] V. Psyk, D. Risch, B.L. Kinsey, et al.Electromagnetic forming-A review [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2011, 211: 787-829.

[9] D. Gayakwad, M. K. Dargar, P. K. Sharma, et al. A Review on Electromagnetic Forming Process [J]. Procedia Materials Science, 2014(6): 520-527.

[10] R. Otin. A numerical model for the search of the optimum frequency in electromagnetic metal forming [J]. International Journal of Solids and Structures, 2013, 50(10): 1605-1612.

[11] Z. D. Xu, J. J. Cui, H. P. Yu, et al. Research on the impact velocity of magnetic impulse welding of pipe fitting [J]. Materials & Design, 2013, 49: 736-745.

[12] J. H. Deng, C. Tang, M. W. Fu, et al.Effect of discharge voltage on the deformation of Ti Grade 1 rivet in electromagnetic riveting [J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 591: 26-32.

[13] X. Zhang. H, P. Yu. C, F. Li. Multi-filed coupling numerical simulation and experimental investigation in electromagnetic riveting [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 73: 1751-1763.