脈沖電流處理對(duì)H62雙相黃銅升溫相變變體演變的影響

李冬雪

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

迄今，關(guān)于馬氏體相變或擴(kuò)散型相變變體選擇的研究已經(jīng)有很多報(bào)道，但這些研究主要集中在對(duì)于冷卻過程中的變體選擇，如Cu-Zn合金的到相的相轉(zhuǎn)變過程，由于傳統(tǒng)熱處理工藝加熱速度和冷卻速度受限，關(guān)于升溫過程中相變變體選擇的研究一直處于空白，尤其關(guān)于升溫相變組織中晶體學(xué)信息對(duì)材料性能的影響的研究未有報(bào)道。

高密度脈沖電流處理作為一種非平衡處理手段，具有快速加熱、快速冷卻的特點(diǎn)，在短時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生或者與外界交換高密度能量，使一些在平衡狀態(tài)下很難實(shí)現(xiàn)的過程得以實(shí)現(xiàn)。因此，本實(shí)驗(yàn)擬借助高密度脈沖電流處理研究H62雙相黃銅在升溫相變過程中的變體演變。

2 實(shí)驗(yàn)方法與組織結(jié)構(gòu)表征

實(shí)驗(yàn)材料：選用厚度為1.5 mm的商業(yè)H62黃銅板材作為實(shí)驗(yàn)的初始材料，其化學(xué)成分為Cu 62wt%、Zn 38wt%。

掃描電鏡（SEM）形貌觀察與EBSD分析：JEM-7001F場發(fā)射掃描電子顯微鏡，主要用于材料表面形貌觀測，能譜分析、微觀取向的測定與分析等。為了便于比較，對(duì)樣品的SEM分析所選區(qū)域均選定為樣品的側(cè)面中心區(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 脈沖電流密度對(duì)變體微觀形貌的影響

根據(jù)焦耳熱和Cu-Zn合金二元平衡相圖的分析，樣品經(jīng)脈沖電流密度為jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2處理后，樣品有效區(qū)溫度達(dá)到fcc結(jié)構(gòu)的α相和bcc結(jié)構(gòu)的β相的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)。在458 ℃時(shí)，存在β→β′的有序無序轉(zhuǎn)變，一般認(rèn)為這個(gè)有序無序轉(zhuǎn)變不影響新生成的相的織構(gòu)及其在基體中的含量，因此本文中的相轉(zhuǎn)變過程主要針對(duì)α相與β相之間的擴(kuò)散型相變。

圖1給出不同電流處理?xiàng)l件下樣品中β相從α相中形核析出的演變規(guī)律。從圖1觀察可知，脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2時(shí)，大量形狀不規(guī)則的β相沿著α相的晶界和晶內(nèi)開始形核且隨機(jī)分布。在脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2處理的樣品中可觀察到，α相晶粒細(xì)化的同時(shí)，形核初期在α相晶內(nèi)形成的β相幾乎觀察不到，β相沿著α相的晶界分布。另外，通過比較不同電流密度下的晶粒尺寸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著電流密度的增大，β相晶粒明顯長大。因此，脈沖電流對(duì)于第二相晶粒形核和長大有顯著影響。

圖1 ECP處理后樣品的顯微組織

通過比較分析大量SEM-EBSD形貌圖，發(fā)現(xiàn)不同電流密度下，脈沖電流處理之后β相主要有三種形核和長大方式，分別是：

（1）晶內(nèi)形核：主要在孿晶界、亞晶界和滑移帶等晶內(nèi)缺陷密集處形核，這些區(qū)域能量較高易于形核；

（2）晶界形核：在兩個(gè)晶粒的界面同樣是易于形核的高儲(chǔ)能區(qū)域；

（3）界隅長大：三相鄰晶粒的三晶交界處發(fā)生α→β相變。

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對(duì)于常規(guī)的熱處理方式，β相的形成主要存在于晶界和三晶交界處，因而認(rèn)為在常規(guī)的熱處理制度之下，α→β相變的相變織構(gòu)主要來源于晶界和三晶交界處形核的β相，而脈沖電流處理極大的提高了α→β相變形核速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)β相在α相晶內(nèi)形核作為一種很重要的形核方式存在。因此，脈沖電流處理對(duì)β相形核和長大具有較大的影響，后續(xù)脈沖電流對(duì)α→β相變過程β相取向和變體選擇的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

為了進(jìn)一步分析β相從α相晶內(nèi)形核取向的演變，圖2給出了圖1中不同電流處理?xiàng)l件下β相的EBSD取向分布圖。其中，灰色區(qū)域?qū)?yīng)fcc的Cu(α相)，彩色區(qū)域?qū)?yīng)bcc的CuZn(β相)。觀察分析可知，不同電流處理?xiàng)l件下在晶界和晶內(nèi)形核的β相以及沿著晶界生長的β相取向各異。

圖2 不同電流密度下β相的取向分布

3.2 脈沖電流密度對(duì)變體取向的影響

為了進(jìn)一步分析脈沖電流密度對(duì)析出相微觀取向的影響，以深入研究脈沖電流處理對(duì)H62黃銅升溫相變形核過程的影響，對(duì)不同脈沖電流密度的樣品進(jìn)行了EBSD測試及分析。

由于掃描電鏡下觀察到的在α相晶界和晶內(nèi)生成和晶界的β相尺寸小，為了更清晰客觀準(zhǔn)確地反應(yīng)樣品的微觀組織和取向信息，所以在EBSD的信號(hào)采集時(shí)采用的1000倍的方法倍數(shù)，步長為0.08 μm。以確保生成的β相更好的被識(shí)別。

圖3(a)為脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2樣品的Phase map，從圖中我們可以觀察到大量細(xì)小的相彌散分布于α相的晶界和晶內(nèi)，另外初始存在的團(tuán)聚在晶界處的粗大相形狀變的不規(guī)則。圖3(b)為脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2樣品的β相{110}晶面的極圖。分析結(jié)果表明，受初始存在大量相的影響<110>取向?yàn)橹饕南喾植既∠颉?/p>

圖3 jmax=17.6 kA mm-2樣品β相取向

圖4(a)為脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2樣品的Phase map，在圖中可以觀察到，大量的β相沿著晶界形核長大尺寸相較于jmax=17.6 kA mm-2的樣品已經(jīng)明顯長大，并且大量晶內(nèi)形核的β相的生長對(duì)α相起到碎化作用，使得α相晶粒尺寸減小。前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果中由于實(shí)驗(yàn)條件所限，相變的升溫過程難以觀察到，研究多側(cè)重于降溫過程中相變過程。他們認(rèn)為，α相的細(xì)化是因?yàn)榻禍剡^程中α相沿著β相的晶界析出，以及隨后的快速冷卻來不及長大所致，但是缺乏β相本身對(duì)α相晶粒細(xì)化的作用方面的研究。而從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以明顯觀察到升溫過程中β相在α相晶內(nèi)形核長大，對(duì)α相的晶粒細(xì)化起到一定作用。

圖4 jmax=18.5 kA mm-2樣品β相取向

圖4(b)為脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2樣品β相{110}晶面的極圖。比較圖3(b)和圖4(b)兩張極圖中相取向演變可知，在電流密度較低時(shí)，由于形核不完全，大量細(xì)小相沿晶內(nèi)晶界析出，但是初始大塊β相沿晶界分布，且β相取向主要受大塊晶粒取向的影響主要呈<110>取向分布；隨著脈沖電流密度的增加，初始大塊β相完全消失，且主要沿<111>取向分布。

3 分析與討論

式中：

j(t)—t時(shí)刻脈沖電流的電流密度

ρ—合金的電阻率

td—脈沖持續(xù)時(shí)間

cp—合金的比熱容

d—合金的密度

當(dāng)脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2時(shí)，試樣有效區(qū)溫升分別達(dá)到699 ℃和770 ℃，結(jié)合相圖可知，脈沖電流處理誘導(dǎo)α→β相變發(fā)生。按照相圖分析可知，在脈沖電流加熱過程中，部分α相轉(zhuǎn)變成β相，然后在脈沖電流冷卻過程中，部分α相轉(zhuǎn)變成的高溫β相再次轉(zhuǎn)換成室溫的α相。

當(dāng)電流進(jìn)入金屬導(dǎo)體時(shí)，電流具有促進(jìn)高導(dǎo)電相形成抑制低導(dǎo)電相形成的特點(diǎn)。因此，脈沖電流對(duì)固態(tài)相變的作用與母相形成新相晶核后兩相的電導(dǎo)率不同有關(guān)。若不計(jì)較電子在界面處的散射作用，或者這種作用相對(duì)比較弱的情況下，在母相中形成具有更高導(dǎo)電相的新相后，整個(gè)體系的電流分布會(huì)由于導(dǎo)電率不同而發(fā)生變化。

對(duì)于H62雙相黃銅來說，在脈沖電流處理的過程中發(fā)生α→β相變的溫度區(qū)間內(nèi)，（σα=σ0）＜（σβ=σ1），通過相關(guān)公式計(jì)算，可知能量差ΔWe＜0，這說明當(dāng)體系中電流通過時(shí)，形成具有臨界半徑的晶胚所需克服的熱力學(xué)勢壘W(wǎng)c下降，所以試樣β相的形核率由于脈沖電流的作用而得到提高，ΔWe與jx2(t)成正比，即β相的形核率隨著電流密度的增大而顯著提高。換句話說，脈沖電流作用下具有促進(jìn)高導(dǎo)電相β相更容易析出。并且這種形核勢壘的降低不僅使在α相的晶界等能量聚集處形核率提升，更使得β相在α相晶內(nèi)形核得以實(shí)現(xiàn)，這在常規(guī)熱處理制度中是難以實(shí)現(xiàn)得。并且這種晶內(nèi)形核的方式，使得β相的快速形核長大對(duì)α相起到碎化的作用，α相晶粒得以細(xì)化。由于脈沖電流處理前試樣原材料完全相同，原始樣品中所含的α相和β相的含量相同，因此認(rèn)為脈沖電流處理之后，β相含量的差異是脈沖電流處理之后的結(jié)果。

通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，不同脈沖電流處理?xiàng)l件下，脈沖電流密度峰值為jmax=17.6 kA mm-2時(shí)，α相含量占比83.3%，β相占比16.7%，jmax=18.5 kA mm-2，樣品中α相含量占比52.7%，β相的含量占比47.3%。隨著脈沖電流密度的增大，我們觀察到β相的含量明顯增大。

上述分析可知，隨著電流密度的增大，α相中析出的β相含量增多，這可以歸結(jié)為電流處理有利于高導(dǎo)電相的形核，但是截至目前，關(guān)于脈沖電流對(duì)升溫相變過程中高電導(dǎo)相β相的形核長大機(jī)制研究甚少，尤其β相的形核長大對(duì)α相晶粒細(xì)化的影響幾乎沒有報(bào)道。

對(duì)于相變過程，發(fā)現(xiàn)的相變過程的初期階段，往往遵循著一定的有理位相關(guān)系K-S關(guān)系fcc{111}//bcc{110}，fcc<110>//bcc<111>。眾所周知，對(duì)于服從有理位向關(guān)系的母晶與子晶，由于晶體對(duì)稱性，有多種彼此獨(dú)立的可能晶面及可能晶向的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在，即存在所謂變體。

就理想情況而言，從α相母晶中按照K-S關(guān)系生成的24種變體應(yīng)當(dāng)服從隨機(jī)分布，即24種變體等可能出現(xiàn)。然而如圖3以及圖4示，對(duì)于所選取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是隨機(jī)的，而是存在一定擇優(yōu)性，表明在ECP處理過程中發(fā)生的α→β相變中存在變體選擇。

另外，從圖3(b)和4(b)的比較中可以看出，隨著脈沖電流密度的增大，β相的取向呈現(xiàn)更加規(guī)律的趨勢，這種現(xiàn)象也預(yù)示著隨著脈沖電流密度的增大，變體選擇有著更加明顯的傾向性。

4 結(jié)論

通過研究電流密度對(duì)析出相微觀結(jié)構(gòu)和變體演變的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

第一，脈沖電流具有促進(jìn)β相形核的作用，隨著脈沖電流密度的增大β相含量明顯升高，尤其，結(jié)合高密度脈沖電流處理具有高的冷卻速率，脈沖電流處理可以將高溫非平衡態(tài)保留到室溫，為研究高溫相變過程提供了可能。

第二，對(duì)于所選取的α相晶粒，其新生成的β相晶粒的取向并不是隨機(jī)的，而是存在一定擇優(yōu)性，表明在ECP處理過程中發(fā)生的α→β相變中存在變體選擇。