張祥凱，楊續(xù)躍, 2

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硅元素對超細晶黃銅力學性能及退火行為的影響

張祥凱1，楊續(xù)躍1, 2

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；2. 中南大學 有色金屬先進結構材料與制造協同創(chuàng)新中心，長沙 410083)

通過XRD、TEM、EBSD以及拉伸試驗研究硅元素對超細晶黃銅力學性能和退火行為的影響。將Cu-20Zn和Cu-20Zn-1.2Si合金在液氮溫度(約?196 ℃)下進行軋制并進行退火處理。結果表明：與液氮軋制后Cu-20Zn合金相比，液氮軋制后Cu-20Zn-1.2Si合金的強度顯著提升，這是因為加入的硅元素使得層錯能降低，使其變形后具有細小的晶粒以及較高的位錯和孿晶密度。Cu-20Zn-1.2Si合金熱穩(wěn)定性的提升源自層錯能(SFE)的降低以及硅原子與位錯的相互作用，使得其內部位錯運動受阻。退火后的Cu-20Zn-1.2Si合金優(yōu)異的強度和塑性的綜合力學性能源自其組織內部細小的晶粒、形變孿晶以及大量的退火孿晶和HAGBs的共同作用。

銅合金；層錯能；力學性能；孿晶；退火行為

Cu-Zn系合金因其優(yōu)異的力學性能、良好的電導率以及較高的耐腐蝕性被廣泛應用于電子和機械等領域[1]。對于結構材料來說，強度和塑性是尤為重要的兩個性能指標[2]。細化晶粒通常能夠提高金屬材料的強度。劇烈塑性變形(Severe plastic deformation, SPD)作為一種能夠制備超細晶材料而受到了廣泛關注[3?4]。利用SPD方法不僅可以制備出較大尺寸的樣品，同時還可以避免在制備過程中引入空隙和污染源[5?6]。室溫下SPD過程中的晶粒細化主要通過位錯的運動來實現的。晶粒尺寸隨著變形量的增加而減小。當位錯的累積和湮滅達到一個動態(tài)平衡狀態(tài)時，晶粒不能再通過這種機制被細化而達到一個飽和值[7]。變形溫度是影響材料晶粒細化機制以及變形機制的一個重要參數。對于大多數面心立方金屬來說，降低變形溫度能夠促使晶粒進一步細化。因為變形溫度的降低有利于形變孿晶形成。低溫變形時形變孿晶與位錯相互作用使得晶粒進一步細化[8?10]。因此相比于其他SPD方 法[11?13]，低溫變形不需要很大的變形量就可以獲得超細晶。

經過SPD方法獲得的超細晶材料通常強度很 高、塑性很低，這極大地限制了它們的實際工程應 用[14?15]。超細晶材料的塑性低是因為其內部位錯密度幾乎達到飽和以及細小的晶粒尺寸導致其加工硬化率低[16]。有研究表明[17?19]，通過降低材料的層錯能使得材料的強度和塑性得到同步提升。層錯能的降低有利于孿晶和層錯的形成，孿晶和層錯能夠有效地阻礙位錯的運動并且孿晶能夠為位錯累積提供存儲空間。盡管降低層錯能能夠使得材料的強度和塑性得到同步提升，但是塑性提升的非常有限[14, 20]。變形后的退火處理是提升材料塑性的有效方法。材料經過劇烈塑性變形后的強度很高，隨后的退火處理在提升塑性的同時雖然會降低材料的強度，但是材料的強度仍然較 高[21?22]。因此，通過劇烈塑性變形以及適當的退火處理能夠使得材料獲得較好的綜合力學性能。

因此，本文作者通過向Cu-20Zn中加入硅元素來降低其層錯能，使得其在液氮軋制后的性能得到提升，并且通過變形后的退火處理使得其綜合力學性能得到進一步提升。同時，研究硅元素的添加對其力學性能和組織以及退火行為的影響。

1 實驗

實驗所用材料Cu-20%Zn和Cu-20%Zn-1.2%Si(質量分數)。將配料在GW?10型無芯中頻感應爐中進行熔煉，經熱軋、冷軋和中間退火后，得到實驗所需的合金板材。添加的硅元素能夠使得合金的層錯能大大降低[23]。三元合金的層錯能可由式(1)以及相關的二元合金層錯能計算得到[24?25]：