脈沖電流處理對(duì)H62雙相黃銅升溫過(guò)程中孿晶的影響

李冬雪

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

0 引言

在晶體中形成孿晶的方式有三種：其一是通過(guò)機(jī)械變形產(chǎn)生的孿晶，也稱為“形變孿晶”或“機(jī)械孿晶”，它的特征是通常呈透鏡狀或片狀；其二為“生長(zhǎng)孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固態(tài)中長(zhǎng)大時(shí)形成的孿晶；其三是形變金屬在其再結(jié)晶退火過(guò)程中形成的孿晶，也稱為“退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個(gè)晶粒，是在再結(jié)晶過(guò)程中通過(guò)堆垛層錯(cuò)的生長(zhǎng)形成的[1]。它實(shí)際上也應(yīng)屬于生長(zhǎng)孿晶，系從固體中生長(zhǎng)的過(guò)程中形成。

美國(guó)Conrad 教授曾經(jīng)就脈沖電流對(duì)Al、Cu、Mg 等金屬材料的微觀組織和性能的影響做過(guò)系統(tǒng)的研究，曾經(jīng)提出假設(shè)：隨著脈沖電流密度的增大，孿晶具有減少的趨勢(shì)[2]。Wang 等[3]在利用脈沖電流處理冷軋H59 黃銅板材時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品在β→α的相轉(zhuǎn)變過(guò)程中生成了大量的定向納米孿晶。試樣有效區(qū)中孿晶組織的片層厚度約為2～35 nm，長(zhǎng)度約為50～400 nm。經(jīng)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這些納米孿晶的{111}面均與電流的方向平行，也就是說(shuō)納米孿晶片層沿著電流方向平行分布[3]。盡管關(guān)于脈沖電流對(duì)孿晶數(shù)量和分布的影響的研究已有很多報(bào)道，但截至目前，關(guān)于脈沖電流處理對(duì)孿晶密度和取向的影響的研究仍是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。

本文主要利用高密度脈沖電流具有快速升溫、快速冷卻、在極短的時(shí)間內(nèi)在體系中釋放大量能量的特點(diǎn)，系統(tǒng)研究了在相變的升溫過(guò)程中脈沖電流對(duì)H62 雙相黃銅的孿晶影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原材料選用厚度為1.5 mm 的商業(yè)H62 黃銅板材，其化學(xué)成分為Cu 62 wt%、Zn 38 wt%。在進(jìn)行電脈沖實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行壓下量為33%的同步軋制處理，使其厚度降為1 mm。

1.2 組織結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 電子背散射衍射分析（EBSD）

試樣的組織觀察和取向分布在JEM-7001F 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行。JEM-7001F 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡由日本電子株式會(huì)社制造，主要用于材料表面形貌觀測(cè)、能譜分析、微觀取向的測(cè)定與分析等。設(shè)備主要參數(shù)范圍：分辨率：二次電子像：1.2 nm（加速電壓30 Kv）3.0 nm（加速電壓1 Kv）。放大倍數(shù)：×10~×500 000。束流范圍：（10～12）2×10-7A 連續(xù)改變。樣品臺(tái)移動(dòng)：X：70 mm；Y：50 mm；Z：3 mm～41 mm；T：-5°-+70°，R：360°。能譜儀：分辨率：MnKα 峰半高寬優(yōu)于133 eV（2 500 cps）；CKα 峰半高寬優(yōu)于66 eV（2 500 cps）；元素測(cè)試：Be4-U92。背散射電子衍射分析儀：高解析率：1 344×1 024 像素；加速電壓：3 Kv，束流小于5 000 pA；空間分辨率：0.1 μm。

1.2.2 透射電鏡（TEM）觀察

試樣位錯(cuò)的形貌和孿晶的判斷與形貌觀察在JEM-2100F 高分辨透射電子顯微鏡下進(jìn)行。JEM-2100F 高分辨透射電子顯微鏡由日本電子株式會(huì)社制造，主要用于分析測(cè)試材料的微區(qū)明場(chǎng)、暗場(chǎng)像及高分辨TEM 像、高分辨原子序數(shù)像，以及選區(qū)電子衍射、會(huì)聚束電子衍射和納米束電子衍射等。

透射電鏡樣品取自試樣的有效區(qū)，采用2000#、3000#砂紙將樣品厚度磨至100 μm 厚，切出直徑為3 mm 小圓片并磨至50 μm 厚。在低溫離子減薄儀上利用小角度5°進(jìn)行離子減薄，直至出現(xiàn)薄區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電流密度對(duì)孿晶含量的影響

對(duì)脈沖電流峰值密度jmax=17.6 kA mm-2和jmax=18.5 kA mm-2的試樣孿晶界在EBSD 中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中圖1（a）為jmax=17.6 kA mm-2試樣中心區(qū)域的孿晶界，圖1（b）為jmax=18.5 kA mm-2試樣中心區(qū)域的孿晶界。圖2比較了不同電流處理?xiàng)l件下孿晶含量的變化。

圖1 孿晶界分布

從圖2可知，隨著電流密度的增大，孿晶含量增加。

圖2 孿晶界含量

2.2 冷卻速率對(duì)孿晶的影響

利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)樣品的邊部A 區(qū)域和中心B 區(qū)域的組織和形貌進(jìn)行觀察，在邊部A 區(qū)域中存在大量的孿晶組織，如圖3所示。這些孿晶組織呈針狀，約20 nm 厚，有的沿著晶界處分布，有的在晶內(nèi)分布。在孿晶的周圍包裹著大量的纏結(jié)位錯(cuò)，由于形變孿晶一般在機(jī)械變形過(guò)程中產(chǎn)生并以極快的速度爆發(fā)出薄片孿晶，所以在形變孿晶周圍多伴隨著大量的纏結(jié)位錯(cuò)。從孿晶的形貌和尺寸上初步懷疑這種針狀的孿晶為形變孿晶。

圖3 TEM 下的孿晶組織

孿晶的衍射斑點(diǎn)排列成層線狀，在3N（N 為整數(shù)）層線上只有一套強(qiáng)衍射斑點(diǎn)，在3N+1 和3N-1（N 為整數(shù)）層線上衍射斑點(diǎn)發(fā)生分裂，成對(duì)出現(xiàn)。分裂的距離為3N層線上衍射斑點(diǎn)間距的1/3，第二層線上分裂的距離為3N層線上衍射斑點(diǎn)間距的2/3，到第三層上時(shí)為3/3 正好重合[4]，這種規(guī)律符合孿晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)操作可使孿晶與基體斑點(diǎn)完全重合。對(duì)觀察到的針狀孿晶組織做相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖，如圖4所示，圖4（a）為觀察到的包裹著大量位錯(cuò)的針狀孿晶組織，圖4（b）為孿晶相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖，從衍射斑點(diǎn)上看完全符合孿晶衍射斑點(diǎn)的特征。孿晶組織是每個(gè)（111）晶面沿著[112-]方向，產(chǎn)生彼此相對(duì)移動(dòng)a/6[112-]的均勻切變。并且從單個(gè)衍射斑點(diǎn)看，每一個(gè)斑點(diǎn)均存在不同程度的拉長(zhǎng)，這是由于在形變中產(chǎn)生孿晶。由此可以斷定，樣品的邊部區(qū)域在TEM下觀察到的大量針狀組織為形變孿晶。

圖4 冷軋樣品

在一個(gè)晶粒中一般形變孿晶沿著一個(gè)方向生長(zhǎng)，但是在邊部A 區(qū)域的觀察中除了圖相平行的形變孿晶外，還觀察到形貌如圖5（a）所示的孿晶，這種孿晶為交叉孿晶。交叉孿晶通常是二次孿晶在生長(zhǎng)過(guò)程中遇到初始孿晶的阻礙而造成的。對(duì)這種交叉孿晶在透射電鏡下做高分辨觀察孿晶交界處的情況，從圖5（b）可以觀察到在孿晶相交時(shí)較寬的孿晶顯然阻礙了另兩個(gè)孿晶的生長(zhǎng)，其中一個(gè)孿晶在交界處停止了生長(zhǎng)，另一個(gè)甚至產(chǎn)生了不同的生長(zhǎng)方向。對(duì)產(chǎn)生二次孿生的區(qū)域做電子衍射，從圖5（c）的電子衍射斑點(diǎn)上可以看到，此時(shí)的孿晶出現(xiàn)多種不同的取向。

圖5 邊部區(qū)域的孿晶

3 分析與討論

上述研究結(jié)果表明，隨著脈沖電流密度的增大，孿晶密度增多，但是對(duì)相同電流密度處理后的樣品的TEM 觀察發(fā)現(xiàn)，冷卻速率影響孿晶的生成，尤其冷卻速率較高的區(qū)域觀察到大量形變孿晶。

在面心立方的金屬中，形變孿晶的形成有兩個(gè)必要的條件：

（1）主滑移系發(fā)生變化；

（2）達(dá)到臨界的切應(yīng)力。

存在于{111}面上的不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，是形變孿晶形成的主要因素。應(yīng)力誘導(dǎo)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起源于晶界，首先生成層錯(cuò)，進(jìn)而形成孿晶。因此H62 黃銅中Zn 元素的引入，使層錯(cuò)能減小，這樣在一定速率的塑性變形過(guò)程就有形變孿晶的產(chǎn)生。

在脈沖電流峰值密度jmax=18.5 kA mm-2的試樣邊部A區(qū)域中，借助于TEM 透射電鏡已經(jīng)觀察到了大量的形變孿晶和纏結(jié)的位錯(cuò)，但是在中心B 區(qū)域并沒(méi)有觀察到形變孿晶并且位錯(cuò)也多是單個(gè)的位錯(cuò)線，類似于邊部區(qū)域纏結(jié)的位錯(cuò)組織觀察不到。這種顯著的差異主要?dú)w結(jié)于脈沖電流裝置快速升溫、快速冷卻的特點(diǎn)。

從理論上說(shuō)，相同脈沖電流密度下的試樣有效區(qū)各部分的溫升相同[5]。在實(shí)際測(cè)的數(shù)據(jù)包括β 相的形貌與取向分布以及TEM 下觀察到的形變孿晶以及位錯(cuò)等，均顯示相同脈沖電流密度處理的樣品不同區(qū)域存在組織上的差異。這是由于脈沖電流處理過(guò)程中試樣的兩端被銅片夾住，銅片的面積遠(yuǎn)大于試樣的端片的面積。銅合金的導(dǎo)熱性非常好，這樣使得在冷卻時(shí)可以快速冷卻，但是就是由于這種良好的導(dǎo)熱性，也使得有效區(qū)的邊部區(qū)域冷卻速度高于中心區(qū)域。經(jīng)上述分析可知，邊部A 區(qū)域的溫升相較于中心B 區(qū)域小?？紤]到冷卻速度這一變量，那么有效區(qū)邊部A 區(qū)域的熱處理溫度低于中心B 區(qū)域的熱處理溫度。

在電流方向相同的情況下，不同區(qū)域間實(shí)際的脈沖電流密度越大，輸入的能量越大，所產(chǎn)生的電子風(fēng)力越大，位錯(cuò)的遷移率也就越大[6]。這就很好地解釋了在邊部A 區(qū)域中存在大量的纏結(jié)位錯(cuò)，但是在中心B 區(qū)域只能觀察到單個(gè)的位錯(cuò)線，因?yàn)檩^大的電子風(fēng)力使得位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)并且快速滑移湮沒(méi)。

這種電子風(fēng)力的差異不僅影響位錯(cuò)本身，對(duì)形變孿晶也存在一定的影響。形變孿晶本身就是由于不全位錯(cuò)的塞積形成層錯(cuò)進(jìn)而產(chǎn)生孿晶的。那么當(dāng)實(shí)際處理時(shí)脈沖電流密度提升，電子風(fēng)力有所增大，不全位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)使得形變孿晶消失。這就可以解釋為什么在試樣的中心B 區(qū)域觀察不到形變孿晶。由EBSD 分析結(jié)果可知，電流通過(guò)瞬間，邊部A 區(qū)域和中心B 區(qū)域均開(kāi)始發(fā)生相變，但是由于B 區(qū)域冷卻速率較A 區(qū)域低，因此不同區(qū)域溫升不同，升溫過(guò)程中，形變孿晶對(duì)溫度非常敏感的，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)形變孿晶便會(huì)消失。

4 結(jié)論

對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)的過(guò)程中，可以得到如下結(jié)論：

（1）隨著脈沖電流密度的增大，孿晶密度增多。這說(shuō)明在非平衡熱處理狀態(tài)下，隨著能量注入的增加，孿晶密度增加。

（2）通過(guò)研究不同冷卻速率對(duì)H62 雙相黃銅相轉(zhuǎn)變初期孿晶和位錯(cuò)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖電流作用瞬間，隨著冷卻速率的增大，樣品中位錯(cuò)含量提高，形變孿晶的含量也有所提高并且形變孿晶隨著溫度的升高瞬間消失。

從上述結(jié)論中可以看出，脈沖電流處理作為非平衡狀態(tài)下的一種熱處理方式，可以有效保留升溫相變過(guò)程中某一瞬間的組織形態(tài)。通過(guò)這種方法，本文可以分析出熱處理過(guò)程中加熱溫度和冷卻速度這兩個(gè)因素對(duì)H62 黃銅孿晶密度均會(huì)產(chǎn)生較大影響。傳統(tǒng)平衡狀態(tài)下熱處理方式研究過(guò)程中難以觀察到形變孿晶的形態(tài)和數(shù)量，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)H62 黃銅孿晶形變機(jī)理的研究具有一定的借鑒意義。