王余強，劉勁松,，趙天章，張士宏

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；3.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點實驗室，沈陽 110136)

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大拉銅線冷拉拔過程組織及性能研究

王余強1，劉勁松1,2，趙天章3，張士宏2

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；3.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點實驗室，沈陽 110136)

研究了強冷變形條件下銅線材的組織性能變化，探討了其影響機制。研究結(jié)果表明：拉拔變形對銅線材硬度和導(dǎo)電率的影響趨勢基本相反，當(dāng)真應(yīng)變小于0.3時，硬度快速上升，導(dǎo)電率快速下降；當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?.3～0.8時，硬度緩慢上升，導(dǎo)電率變化不大；當(dāng)真應(yīng)變大于0.8時，導(dǎo)電率和硬度都出現(xiàn)了波動。當(dāng)真應(yīng)變小于0.8時，抗拉強度迅速提高，延伸率急劇降低；當(dāng)真應(yīng)變大于0.8時，抗拉強度緩慢提高，延伸率緩慢降低，都逐漸趨于穩(wěn)定。微觀組織觀察表明：純銅的組織變化過程有3個階段：晶粒開始細化并出現(xiàn)形變孿晶；晶粒細化加劇，晶界變的模糊；形成纖維組織。

導(dǎo)電率；硬度；真應(yīng)變；纖維組織

銅是一種延展性以及可鍛性非常好的金屬，并且擁有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐腐蝕及加工性能，因此多用于導(dǎo)線及管材的生產(chǎn)[1-3]。純銅導(dǎo)線在生活中應(yīng)用廣泛，常用于通信電纜、高保真導(dǎo)線以及接觸網(wǎng)導(dǎo)線等[4]。大拉銅線的生產(chǎn)主要分為拉拔，退火，收線三部分。連續(xù)多模拉伸是當(dāng)前大拉銅線的主要生產(chǎn)方式。因電子產(chǎn)品發(fā)展的需要，超細銅線(直徑小于0.05mm)的市場需求也逐年增大。但是其加工難度大，對原材料性能要求也比較高。然而國內(nèi)所制備的銅線材的直徑大多為Φ8mm[5]遠遠大于實際應(yīng)用中的銅線材直徑。銅線材基本不能直接投入使用，一般需要經(jīng)過多道次的冷拉拔才可以制成成品。冷拔變形會使銅線的微觀組織發(fā)生顯著的變化，同時也會對其性能造成較大的影響，從而對銅線材的使用造成了許多不便[6]。因此，研究拉拔變形對銅線材性能的影響顯得極其重要。最近幾年關(guān)于銅線材塑性變形的研究屢有報到[7]。但是室溫下銅線材的變形機理以及電學(xué)、力學(xué)性能卻鮮有報道。本文主要研究大拉銅線拉拔變形后的金相顯微組織、電學(xué)性能以及力學(xué)性能。旨在探索拉拔變形對銅線組織和性能的影響規(guī)律，為進一步研究提供理論依據(jù)。

1 實驗方法

本文實驗原材料為江銅生產(chǎn)的Φ8mm銅線材，純度為99.997%。線材在多次拉拔變形過程中，不進行任何退火處理。拉拔方向?qū)€材組織性能可能會造成影響，為了排除該影響，每次拉拔都保持拉拔方向一致。不同變形量的線材經(jīng)過不同道次拉拔變形得到。由于試樣較小，因此采用鐵木粉對其進行鑲嵌以便組織觀察及硬度測量。 硬度測量在MH-3顯微硬度計上進行，采用維氏硬度，試樣需要先用砂紙打磨以及拋光。金相試樣采用5g氯化鐵+50mL鹽酸+100mL乙醇的腐蝕液進行腐蝕。采用OLYMPUS-PMG3型倒置式金相顯微鏡進行金相組織觀察。電阻通過數(shù)字微歐計進行測量，導(dǎo)電率采用國際退火銅標準(%IACS)，導(dǎo)電率可由式η=17.4L/(S×R)計算得到。式中η表示導(dǎo)電率；L表示所測試樣的長度；R為所測試樣電阻；S表示所測試樣的橫截面積。其中電阻的測量采用YY2513型數(shù)字直流微電阻測量儀，為了有效消除接觸電阻所帶來的誤差，采用四端測量法。拉伸實驗采用“三思CMT”電子萬能試驗機進行測試，采用GB/T1040-93標準，拉伸速度為2mm/min，可以獲得銅線材各項力學(xué)性能。銅線材的真應(yīng)變采用下式計算：

(1)

式中:ε為真應(yīng)變;A0和d0分別表示變形前的橫截面積和直徑;A和d為拉拔變形后銅線材的“截面積”和“直徑”。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)變對線材力學(xué)性能及導(dǎo)電率的影響

圖1是拉拔過程中變形量對線材硬度和導(dǎo)電率的影響曲線。由圖1可以看出：銅線材的硬度和導(dǎo)電率隨著拉拔的進行，其變化基本相反。隨著真應(yīng)變的提高，硬度先急速上升，對應(yīng)的導(dǎo)電率則迅速下降。隨著真應(yīng)變繼續(xù)增大，二者變化均變小，并逐漸出現(xiàn)波動。當(dāng)真應(yīng)變小于0.3時，硬度迅速上升，導(dǎo)電率迅速下降；當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?.3～0.8時，硬度上升的趨勢有所減緩，導(dǎo)電率基本上沒有變化；當(dāng)真應(yīng)變大于0.8時，導(dǎo)電率和硬度都出現(xiàn)了波動。

圖2為大拉過程中真應(yīng)變對線材抗拉強度和延伸率的影響曲線。由圖2可知，原始線坯抗拉強度較低，塑性較好超過40%，而經(jīng)過拉拔后線材發(fā)生嚴重的加工硬化作用，線坯的抗拉強度急劇上升，而延伸率急劇下降。隨著拉拔變形量的增加，加工硬化作用越明顯，線材抗拉強度不斷提高。由圖2a分析可知隨著真應(yīng)變的增大，抗拉強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)真應(yīng)變小于0.8時，隨真應(yīng)變的增大，抗拉強度迅速提高，當(dāng)真應(yīng)變大于0.8時，抗拉強度緩慢提高，逐漸趨于平緩。由圖2b可知，隨著真應(yīng)變的增大，延伸率下降，當(dāng)真應(yīng)變小于0.8時，延伸率隨真應(yīng)變的增大急劇降低，當(dāng)真應(yīng)變大于0.8時，延伸率緩慢降低，變化趨于平緩，基本保持穩(wěn)定。

圖1 真應(yīng)變對線材硬度和導(dǎo)電率的影響

圖2 真應(yīng)變對線材抗拉強度和延伸率的影響

2.2 組織分析

為探究多道次連續(xù)冷拉拔過程對銅線材組織的影響，對拉拔過程不同直徑線材進行取樣，并經(jīng)過磨、拋和腐蝕，最終獲得連續(xù)冷拉拔銅線過程不同直徑銅線材的橫向以及縱向金相組織，分別如圖3、圖4所示。

圖3 真應(yīng)變0.3時顯微組織

由圖3、圖4可以看出，隨著各道次的不斷拉拔，組織呈現(xiàn)明顯的流線型形，方向同拉拔方向一致，晶界也變的基本不可見。隨著拉拔的繼續(xù)進行，流線形組織數(shù)目顯著增加，與此同時流線層慢慢變薄，直到晶界完全消失看不到。由圖3b縱截面可以發(fā)現(xiàn)：晶粒沿著線材拉拔方向隨拉拔進行逐漸變長，不斷細化，最后變?yōu)槔w維組織。由圖4b可知，當(dāng)真應(yīng)變增大到0.8時，由于不斷受到拉拔擠壓，晶粒也進一步細化。同時晶粒的扭折裂化也變的極其嚴重。這時銅線材的顯微組織基本呈現(xiàn)為纖維組織，相比之前纖維晶的尺寸變的更加細小，晶界也幾乎不可見，呈現(xiàn)典型的流線型。

圖4 真應(yīng)變0.8時顯微組織

3 分析與討論

在冷拉拔過程中，由于晶格發(fā)生畸變，電子的散射幾率會顯著增加。同時經(jīng)冷變形后的金屬，晶間和晶內(nèi)會產(chǎn)生微觀裂紋和空隙以及點陣缺陷和位錯等晶體缺陷，這些缺陷會隨著變形量的增加不斷累積，從而導(dǎo)致電阻升高，因此導(dǎo)電率整體呈下降趨勢。

金屬在塑性變形時，晶粒會發(fā)生滑移，隨著變形量的增加，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，導(dǎo)致位錯密度增加，位錯運動的阻力加大，即加工硬化，使線材的硬度大幅度提高，當(dāng)真應(yīng)變小于0.3時，硬度急劇上升。當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?.3～0.8時，由于形變孿晶的產(chǎn)生，硬度上升較為緩慢。當(dāng)真應(yīng)變大于0.8，大量的位錯得以繼續(xù)運動，形成位錯的塞積或纏積，因此硬度又顯著提高。

由拉拔過程各道次的金相組織可以發(fā)現(xiàn)：拉拔后銅線材中晶粒取向主要沿線材的軸向分布。這是由于，在拉拔過程中，晶粒所受的三向應(yīng)力，有兩個方向是壓應(yīng)力，另一個方向也就是銅線材的軸向所受到的是拉應(yīng)力。在這種受力狀態(tài)下，銅線材的組織沿著軸向逐漸呈現(xiàn)纖維狀。隨著拉拔的不斷進行，真應(yīng)變逐漸增大，加工硬化現(xiàn)象也越來越顯著，維持拉拔進行所需的力也越大。這就導(dǎo)致了晶粒的細化更加徹底，銅線材組織沿拉拔方向的特征更加顯著，即沿軸向分布的纖維組織。對于面心立方金屬來說，在拉拔過程中，形變孿晶和剪切變形是纖維組織形成的主要原因[8-9]。

4 結(jié)論

(1)拉拔變形對純銅線材硬度和導(dǎo)電率的影響趨勢大致相反，真應(yīng)變小于0.3時，硬度快速上升，導(dǎo)電率快速下降；真應(yīng)變?yōu)?.3～0.8時，二者變化很??；真應(yīng)變大于0.8時，二者都出現(xiàn)了上下波動。

(2)隨著真應(yīng)變的增大，抗拉強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，當(dāng)真應(yīng)變小于0.8時，抗拉強度迅速提高。延伸率隨著真應(yīng)變的增大而下降，當(dāng)真應(yīng)變小于0.8時，延伸率隨真應(yīng)變的增大急劇降低。

(3)銅線材的組織變化分為以下3個階段：1)局部產(chǎn)生滑移，晶粒分裂細化開始；2)隨著真應(yīng)變的增大，晶粒變形加劇，晶界變得模糊不可見；3)晶粒徹底被細化，形成了沿軸向分布的纖維組織。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

The Research of Mary Copper Wire Drawing Process on Organization and Properties

WANG Yuqiang1,LIU Jinsong1,2,ZHAO Tianzhang3,ZHANG Shihong2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metals Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;3.Digital manufacturing process national Defense Key Laboratory,Shenyang University of Aeronautics and Astronautics,Shenyang 110136,China)

Microstructure and properties of copper wire in the condition of strong cold deformation were investigated,and the mechanism of its influence is discussed.The research results show that the influence of drawing deformation on the hardness and conductivity of copper wire is basically opposite.When the true strain is less than 0.3,the hardness increases rapidly and the conductivity decreases rapidly.When the true strain is 0.3 ～ 0.8,the hardness slowly rises,the conductivity change is small.When the true strain is greater than 0.8,the electric conductivity and hardness of the strain are fluctuating.When the strain is less than 0.8,the tensile strength increases rapidly,the extensibility decreases sharply.When the true strain is greater than 0.8,the tensile strength increases slowly,and the extensibility decreases slowly,and they tend to be stable.Microstructure observation shows that Copper organization of the change process has three stages:grain begining to refine and deformation twins appearing;grain refinement increasing,the grain boundaries becoming blurred;fibrous tissue being formed.

conductivity;hardness;true strain;fibrous tissue

2015-09-28

王余強(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：劉勁松(1971—)，男，副教授，博士，研究方向：先進塑性成形技術(shù)及計算機模擬。

1003-1251(2016)05-0078-04

TG356.4；TG359

A