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。