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        退火處理對紫銅棘輪行為的影響

        2022-03-15 14:13:10鄭婉婷王子儀闞前華康國政
        機械工程材料 2022年1期
        關(guān)鍵詞:變形

        鄭婉婷,王子儀,闞前華,康國政

        (1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,成都 610031;2.西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院,成都 610031)

        0 引 言

        大多數(shù)工程構(gòu)件在服役過程中,常因承受交變載荷而發(fā)生疲勞斷裂。棘輪行為(棘輪效應(yīng))是指材料在非對稱應(yīng)力循環(huán)過程中產(chǎn)生非彈性變形循環(huán)累積的現(xiàn)象[1]。相較于普通應(yīng)變控制下的疲勞失效行為,同時發(fā)生棘輪效應(yīng)時材料的疲勞失效機理因棘輪-疲勞交互作用而顯得更為復(fù)雜[2]。國內(nèi)已有大量關(guān)于各類鋼材棘輪行為的試驗研究[3-5]和本構(gòu)描述[6-8],但紫銅的棘輪行為研究少見報道[9-10];而棘輪行為研究是分析紫銅在棘輪效應(yīng)下疲勞行為的基礎(chǔ)。

        紫銅的熔點為1 083 ℃,再結(jié)晶溫度為133~269 ℃,憑借良好的導(dǎo)電性及耐腐蝕性而廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)和壓力開關(guān)中。紫銅在成形后通常會進行退火處理,在消除成形過程引入的殘余應(yīng)力和組織缺陷的同時,改變其顯微組織,從而影響其力學(xué)性能[11]。由于材料的棘輪行為與其組織初始狀態(tài)具有密切關(guān)聯(lián)[12],因此,退火處理會使紫銅表現(xiàn)出不同的棘輪行為。

        目前有關(guān)退火處理對紫銅棘輪行為的影響研究少見報道。為此,作者對成形后的紫銅進行了退火處理,研究了退火處理對其組織棘輪行為的影響,為后續(xù)紫銅棘輪行為本構(gòu)關(guān)系的建立及紫銅在工程實際中的應(yīng)用提供參考。

        1 試樣制備與試驗方法

        試驗材料為浙江鴻耀高新銅材有限公司提供的拉拔成形硬態(tài)T2紫銅棒,其直徑為20 mm。該紫銅為面心立方(FCC)結(jié)構(gòu),化學(xué)成分如表1所示。

        表1 T2紫銅的主要化學(xué)成分

        依據(jù)GB/T 15248-2008將紫銅棒加工成如圖1所示的硬態(tài)紫銅試樣。對部分硬態(tài)紫銅試樣進行退火處理,隨爐升溫至550 ℃,保溫1 h后隨爐冷卻,得到軟態(tài)紫銅試樣(紫銅在550 ℃下會發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大,硬度降低[11])。

        圖1 單軸實心圓棒試樣

        金相試樣取自標(biāo)距段橫截面,經(jīng)打磨拋光后,用由8 g六水三氯化鐵、50 mL鹽酸和100 mL去離子水組成的溶液腐蝕后,采用Axio Observer A1型倒置光學(xué)顯微鏡觀察硬態(tài)紫銅和軟態(tài)紫銅的顯微組織。

        采用CRIMS-RPL100型電子式蠕變疲勞試驗機對紫銅試樣進行單調(diào)拉伸試驗、應(yīng)變控制對稱循環(huán)變形試驗和應(yīng)力控制非對稱循環(huán)變形試驗。通過CCPS5.0控制系統(tǒng)控制閉環(huán)及數(shù)據(jù)采集,使用標(biāo)距為25 mm的引伸計進行軸向應(yīng)變測試。單調(diào)拉伸試驗采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式,應(yīng)變速率為2×10-3s-1;對硬態(tài)紫銅進行應(yīng)變幅為0.4%,0.5%、0.6%的應(yīng)變控制對稱循環(huán)試驗(即平均應(yīng)變?yōu)?,應(yīng)變比為-1);對軟態(tài)紫銅進行應(yīng)變幅為0.5%的應(yīng)變控制對稱循環(huán)試驗。應(yīng)力控制非對稱循環(huán)變形試驗中,加載波形為三角波,應(yīng)力加載速率為50 MPa·s-1。硬態(tài)紫銅的應(yīng)力加載條件如下:第1組平均應(yīng)力為50 MPa,應(yīng)力幅分別為170,180,190 MPa;第2組應(yīng)力幅為180 MPa,平均應(yīng)力分別為40,50,60 MPa。軟態(tài)紫銅的應(yīng)力加載條件如下:第1組平均應(yīng)力為20 MPa,應(yīng)力幅分別為60,80,100 MPa;第2組應(yīng)力幅為10 MPa,平均應(yīng)力分別為10,20,40,60,80 MPa。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 顯微組織

        由圖2可以看出:硬態(tài)紫銅中存在孿晶結(jié)構(gòu),晶粒細小且晶界密度大;經(jīng)550 ℃退火時紫銅發(fā)生再結(jié)晶,晶粒長大,晶粒尺寸明顯大于硬態(tài)紫銅,但同樣能觀測到孿晶結(jié)構(gòu)。

        圖2 兩種狀態(tài)紫銅的顯微組織

        2.2 單調(diào)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        由圖3可知,硬態(tài)紫銅和軟態(tài)紫銅單調(diào)拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均沒有明顯的屈服平臺,軟態(tài)紫銅具有明顯的應(yīng)變強化階段、較低的屈服強度和較大的斷后伸長率;而硬態(tài)紫銅的應(yīng)變強化階段不顯著,屈服強度較高,斷后伸長率較低。

        圖3 不同狀態(tài)紫銅的單調(diào)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        由表2可知,硬態(tài)紫銅和軟態(tài)紫銅的彈性模量相差不大,但硬態(tài)紫銅的屈服強度和抗拉強度明顯高于軟態(tài)紫銅,而軟態(tài)紫銅的延展性優(yōu)于硬態(tài)紫銅。這是因為硬態(tài)紫銅的晶粒尺寸明顯小于軟態(tài)紫銅,晶粒越細,材料強度越高;此外,晶粒的細小意味著更多數(shù)量的晶界,宏觀塑性變形難在晶粒尺度上得到協(xié)調(diào),其塑性變形能力更差。

        表2 不同狀態(tài)紫銅的拉伸性能

        2.3 應(yīng)變控制對稱循環(huán)變形行為

        觀察應(yīng)力幅σa隨循環(huán)周次的變化情況,分析熱處理后紫銅材料的循環(huán)軟/硬化特征。應(yīng)力幅σa定義為

        (1)

        式中:σmax和σmin分別為每一個應(yīng)變循環(huán)中響應(yīng)的峰值應(yīng)力和谷值應(yīng)力。

        循環(huán)硬化或軟化特性是指在循環(huán)加載過程中,若施加給定的應(yīng)變幅,應(yīng)力幅隨著循環(huán)次數(shù)的增加變得越來越大或越小的現(xiàn)象[2]。

        由圖4可以看出,在不同外加應(yīng)變幅下,隨著循環(huán)周次的增加,硬態(tài)紫銅的峰值應(yīng)力和谷值應(yīng)力均逐漸減小,應(yīng)力幅及其降低速率逐漸減小,最終應(yīng)力幅趨于穩(wěn)定。由此可以說明硬態(tài)紫銅為明顯的循環(huán)軟化材料。

        圖4 不同應(yīng)變幅下應(yīng)變控制循環(huán)變形過程中硬態(tài)紫銅的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)及應(yīng)力幅變化曲線

        由圖5可以看出:隨著循環(huán)周次的增加,軟態(tài)紫銅的峰值應(yīng)力和谷值應(yīng)力均增大,應(yīng)力幅逐漸增大,表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化特性;經(jīng)過一定的循環(huán)周次后,應(yīng)力幅漸趨穩(wěn)定,循環(huán)硬化行為達到飽和。

        圖5 應(yīng)變幅0.5%下應(yīng)變控制對稱循環(huán)變形時軟態(tài)紫銅的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)及應(yīng)力幅變化曲線

        位錯的增殖與湮滅以及位錯和晶界的交互作用,決定了材料的循環(huán)軟/硬化特性:若位錯增殖速度快于湮滅速度,則表現(xiàn)出循環(huán)硬化,反之則表現(xiàn)出循環(huán)軟化;晶界對位錯滑移的阻礙作用也會引起材料的循環(huán)硬化[13]。硬態(tài)紫銅的內(nèi)部具有極高的位錯密度,小角度晶界較多,在冷變形中由于滑移及變形程度的增加,位錯密度和晶格畸變較大。在循環(huán)變形時,硬態(tài)紫銅中位錯的增殖速度低于湮滅速度,同時大角度晶界數(shù)量較少,對位錯的阻礙作用較弱,因此表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特性。退火能有效改變晶粒形狀,并降低初始加工引起的高位錯密度;退火處理過程中紫銅能夠進行充分的再結(jié)晶,小角度晶界減少而大角度晶界增加,位錯密度也有效降低。因此,在循環(huán)變形時,軟態(tài)紫銅中位錯的增殖速度高于湮滅速度,且位錯在大角度晶界處會被阻礙,從而出現(xiàn)宏觀的循環(huán)硬化現(xiàn)象。

        2.4 應(yīng)力控制非對稱循環(huán)變形行為

        由圖6可以看出:硬態(tài)紫銅在循環(huán)初期(約前100周次)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)小,塑性變形累積不明顯,這是因為在應(yīng)力水平為(50±180) MPa下,硬態(tài)紫銅一開始處于宏觀彈性變形階段,幾乎沒有棘輪應(yīng)變的產(chǎn)生;隨著循環(huán)周次的增加,硬態(tài)紫銅表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性,開始產(chǎn)生明顯的塑性變形并逐漸累積,最終產(chǎn)生明顯的棘輪變形。軟態(tài)紫銅在給定應(yīng)力水平(20±100) MPa下,其應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)循環(huán)初期較為明顯,塑性變形程度較高,產(chǎn)生明顯的棘輪行為,這是因為外加峰值應(yīng)力高于屈服強度,軟態(tài)紫銅產(chǎn)生明顯的棘輪行為;隨著循環(huán)周次的增加,軟態(tài)紫銅表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性,滯回環(huán)逐漸變窄。

        圖6 應(yīng)力控制非對稱循環(huán)加載時不同狀態(tài)紫銅的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)

        采用工程應(yīng)變形式的軸向棘輪應(yīng)變εr來表征棘輪變形的大小,其定義[1]為

        εr=(εmax-εmin)/2

        (2)

        式中:εmax和εmin分別為每一個應(yīng)力循環(huán)中測得的最大和最小軸向工程應(yīng)變。

        2.4.1 應(yīng)力幅對棘輪行為的影響

        硬態(tài)紫銅的棘輪行為演化可以分為3個階段:第I階段為循環(huán)初期的棘輪應(yīng)變速率衰減階段,第II階段為循環(huán)中期的常棘輪應(yīng)變速率階段,第III階段為循環(huán)后期棘輪應(yīng)變速率增加階段。軟態(tài)紫銅的棘輪行為演化分為兩個階段:第I階段為循環(huán)初期的棘輪應(yīng)變速率衰減階段,第II階段為后期的常棘輪應(yīng)變速率階段。紫銅材料的循環(huán)軟化特性會促進其棘輪行為的發(fā)展,而循環(huán)硬化特性會削弱其棘輪行為,這與其他合金材料的循環(huán)軟/硬化行為對棘輪行為的影響一致[10]。

        由圖7可以看出,平均應(yīng)力恒定時,隨著應(yīng)力幅的增加,紫銅的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變速率均單調(diào)增長。

        圖7 平均應(yīng)力恒定不同應(yīng)力幅下非對稱循環(huán)加載時硬態(tài)和軟態(tài)紫銅的棘輪應(yīng)變及應(yīng)變速率的變化曲線

        應(yīng)力幅對硬態(tài)紫銅的棘輪3階段演化特征影響顯著,應(yīng)力幅越高,從第II階段的常棘輪應(yīng)變速率階段進入第III階段棘輪應(yīng)變速率增加階段的速度越快,且第III階段的棘輪應(yīng)變速率越高。在較低應(yīng)力幅下(170 MPa),由于峰值加載應(yīng)力遠低于硬態(tài)紫銅的屈服強度,硬態(tài)紫銅幾乎不產(chǎn)生棘輪變形;在中等應(yīng)力幅下(180 MPa),棘輪演化則表現(xiàn)出明顯的3階段特征;在較高應(yīng)力幅下(200 MPa),棘輪演化的前兩個階段不明顯,以第III階段演化為主。所有應(yīng)力幅下軟態(tài)紫銅都表現(xiàn)出明顯的兩階段演化特征。應(yīng)力幅為60 MPa時,軟態(tài)紫銅在棘輪演化的第II階段過程中棘輪應(yīng)變速率幾乎為0;應(yīng)力幅為80 MPa時,紫銅在第II階段出現(xiàn)準(zhǔn)棘輪安定現(xiàn)象[2],棘輪應(yīng)變速率接近為0;應(yīng)力幅為100 MPa時則在棘輪變形的第II階段未達到準(zhǔn)棘輪安定狀態(tài),棘輪應(yīng)變?nèi)砸燥@著的速率不斷累積。

        2.4.2 平均應(yīng)力對棘輪行為的影響

        由圖8可以看出,軟/硬紫銅的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變速率都隨平均應(yīng)力增加而單調(diào)增加。硬態(tài)紫銅呈現(xiàn)出3階段棘輪演化特征,外加平均應(yīng)力越大,則其從第II階段進入第III階段的速度越快,但從第I階段過渡到第II階段的速度幾乎不變,平均應(yīng)力的變化顯著影響到硬態(tài)紫銅第III階段的棘輪應(yīng)變速率。軟態(tài)紫銅呈現(xiàn)兩階段棘輪演化特征,平均應(yīng)力不同時,軟態(tài)紫銅在相近的循環(huán)周次(約第10周次)下從第I階段進入第II階段,平均應(yīng)力的變化對第II階段棘輪應(yīng)變速率的影響并不顯著。

        圖8 應(yīng)力幅恒定不同平均應(yīng)力下非對稱循環(huán)加載時硬態(tài)和軟態(tài)紫銅的棘輪應(yīng)變及應(yīng)變速率的變化曲線

        3 結(jié) 論

        (1) 退火處理會使紫銅發(fā)生再結(jié)晶,晶粒尺寸增大,屈服強度和抗拉強度降低,導(dǎo)致紫銅出現(xiàn)不同的循環(huán)軟/硬化特性。

        (2) 在應(yīng)變控制對稱的循環(huán)變形過程中,未退火處理硬態(tài)紫銅的應(yīng)力幅隨循環(huán)周次的增加逐漸減小,表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性;而經(jīng)過550 ℃退火處理后的軟態(tài)紫銅的應(yīng)力幅隨循環(huán)周次的增加逐漸增大,表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。

        (3) 在應(yīng)力控制非對稱循環(huán)加載下,隨著循環(huán)周次的增加,硬態(tài)紫銅的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)逐漸變寬,棘輪應(yīng)變速率呈現(xiàn)增大的趨勢,并表現(xiàn)出3階段棘輪演化特征;軟態(tài)紫銅的應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)逐漸變窄,棘輪應(yīng)變速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,表現(xiàn)出兩階段棘輪演化特征。

        (4) 不同狀態(tài)下紫銅的棘輪行為都明顯依賴于外加應(yīng)力水平,棘輪應(yīng)變與棘輪應(yīng)變速率均隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的增大而單調(diào)增大。應(yīng)力幅值的增大顯著影響硬態(tài)紫銅棘輪演化第III階段的棘輪應(yīng)變速率,但對軟態(tài)紫銅第II階段的棘輪應(yīng)變速率影響較??;平均應(yīng)力越大,硬態(tài)紫銅的棘輪變形從第II階段進入第III階段越快,但對于軟態(tài)紫銅,平均應(yīng)力的變化對第II階段棘輪應(yīng)變速率的影響并不顯著。

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