岳麗娟，王艷婷，趙紅運(yùn)，饒曉方，王 泓

(1. 寧夏中色新材料有限公司，寧夏 石嘴山 753000) (2. 西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000)(3. 西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

1 前 言

鈹青銅是一種典型的沉淀強(qiáng)化型合金，經(jīng)固溶和時(shí)效熱處理后，具有與特殊鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度，是唯一同時(shí)具備良好力學(xué)性能、物理性能及耐蝕性能的銅合金[1]。寧夏中色新材料有限公司是國(guó)內(nèi)最大的鈹青銅合金生產(chǎn)研究基地，2013年公司的“高精度、大卷重鈹青銅板帶材關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”科技成果通過(guò)了中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鑒定，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了多種規(guī)格狀態(tài)鈹青銅帶材的批量生產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品綜合品質(zhì)得到了較大提升，目前年產(chǎn)可達(dá)1000 t，產(chǎn)品主要應(yīng)用于電子電器、通訊儀表、航空航天、石油化工、冶金礦山、汽車(chē)家電、機(jī)械制造以及國(guó)防軍工等多個(gè)領(lǐng)域。然而，在現(xiàn)有熱處理及加工工藝條件下，該合金的組織及性能不夠穩(wěn)定，尤其是合金的硬度指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，主要原因之一就是對(duì)固溶工藝控制不佳，對(duì)相關(guān)機(jī)理缺乏認(rèn)識(shí)。固溶處理就是將鈹青銅加熱到單相組織狀態(tài)，使富鈹相(β相)充分固溶于基體中，并快速水淬以防止第二相析出，從而獲得均勻的過(guò)飽和固溶體[1]。固溶處理的加熱溫度和保溫時(shí)間的合理選擇與控制，是確保鈹青銅力學(xué)性能優(yōu)良的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。確定固溶處理規(guī)范的原則是既能獲得足夠過(guò)飽和度的α固溶體，又能得到細(xì)晶粒的組織，因此，有效控制固溶處理后鈹青銅的晶粒度是保證熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。固溶溫度過(guò)低或者保溫時(shí)間不足，會(huì)使富鈹相不能充分溶入固溶體基體中，弱化合金的沉淀強(qiáng)化能力；若固溶溫度過(guò)高或者保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)引起晶粒粗化，產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，破壞合金的力學(xué)性能[2-5]。

本文研究了不同固溶保溫時(shí)間對(duì)合金組織及性能的影響，分析了固溶過(guò)程中鈹青銅合金的組織及性能變化規(guī)律，利用Hall-Petch關(guān)系探討了QBe2鈹青銅合金在不同固溶時(shí)間條件下屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系，以期達(dá)到優(yōu)化固溶時(shí)間的目的。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為鈹青銅合金，牌號(hào)為QBe2。采用25 kW箱式電阻爐對(duì)QBe2鈹青銅合金進(jìn)行固溶處理實(shí)驗(yàn)，首先將箱式電阻爐加熱至790 ℃并保持60 min，然后將QBe2鈹青銅合金試樣放入箱式電阻爐中，到溫后開(kāi)始計(jì)時(shí)，固溶保溫時(shí)間分別設(shè)置為30，60，90和120 min。

保溫結(jié)束后，將試樣取出并控制在10 s內(nèi)將其快速水冷至室溫。使用 AG-IC50 kN萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)、HVS-5型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)、DK60渦流導(dǎo)電率儀、Olympus Gx51金相顯微鏡，分別測(cè)試不同固溶保溫時(shí)間處理后試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度、導(dǎo)電率以及平均晶粒尺寸等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)合金的組織性能變化規(guī)律和機(jī)理，尋找滿(mǎn)足材料要求的固溶保溫時(shí)間。

力學(xué)性能測(cè)試按照《GB/T228.1室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》和《GB/T4340—2009 金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》進(jìn)行制樣和檢測(cè)，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試3組數(shù)據(jù)并取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

金相樣品先經(jīng)粗磨、細(xì)磨、清洗、拋光、烘干，然后將試樣浸入FeCl3+HCl+乙醇的浸蝕劑中，浸蝕10 s后立即用水沖洗并吹干，在金相顯微鏡下觀察樣品組織；并將做完金相的樣品用酒精清洗、烘干后，在掃描電子顯微鏡(SUPRA 55)下進(jìn)行組織形貌觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 固溶保溫時(shí)間對(duì)合金力學(xué)性能的影響

表1為固溶處理前后QBe2鈹青銅合金的力學(xué)性能，由表1可以觀察到，當(dāng)固溶保溫時(shí)間為0～90 min時(shí)，QBe2鈹青銅合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度隨固溶保溫時(shí)間的增加而明顯降低；而斷后伸長(zhǎng)率隨固溶保溫時(shí)間的增加而明顯增大。當(dāng)固溶保溫時(shí)間為60 min時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度已接近固溶態(tài)產(chǎn)品的性能要求，硬度和伸長(zhǎng)率已達(dá)到固溶態(tài)產(chǎn)品的性能要求。繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至90 min，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度的降低幅度和伸長(zhǎng)率增大幅度均有所下降。當(dāng)保溫時(shí)間為90 min時(shí)，合金的力學(xué)性能已完全滿(mǎn)足固溶態(tài)產(chǎn)品的要求。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到120 min時(shí)，合金的塑性最好。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在790 ℃熱處理制度下，合理的固溶保溫時(shí)間為90～120 min。

表1 固溶處理前后QBe2鈹青銅合金的力學(xué)性能

分析認(rèn)為，固溶過(guò)程中合金元素進(jìn)入銅基體中會(huì)引起點(diǎn)陣畸變。但隨著固溶保溫時(shí)間從0延長(zhǎng)至90 min時(shí)，晶粒長(zhǎng)大，更多的析出相溶解于銅基體中，合金的晶界強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用明顯減弱，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和硬度下降，塑性提高。當(dāng)保溫時(shí)間為120 min時(shí)，合金的塑性最好。

3.2 固溶保溫時(shí)間對(duì)合金導(dǎo)電率的影響

圖1為QBe2鈹青銅合金的導(dǎo)電率隨固溶保溫時(shí)間的變化曲線。固溶處理前QBe2鈹青銅合金的電導(dǎo)率為17.7%IACS；固溶處理后，隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，QBe2鈹青銅合金的電導(dǎo)率下降。當(dāng)保溫時(shí)間為30 min時(shí)，合金的電導(dǎo)率變化不明顯，約為17.4%IACS；當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí)，合金的電導(dǎo)率降低至16.3%IACS；當(dāng)保溫時(shí)間為90和120 min時(shí)，合金的電導(dǎo)率分別下降至15.7%IACS和15.2%IACS。

圖1 在790 ℃，不同固溶保溫時(shí)間下QBe2鈹青銅合金的導(dǎo)電率Fig.1 Conductivity of QBe2 beryllium bronze alloy under different solution holding time at 790 ℃

合金的導(dǎo)電率與內(nèi)部缺陷和溶質(zhì)原子的濃度密切相關(guān)，因?yàn)槿毕莺腿苜|(zhì)原子會(huì)破壞晶格勢(shì)場(chǎng)的周期性，導(dǎo)致基體晶格發(fā)生扭曲畸變從而影響合金的導(dǎo)電率。隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金元素進(jìn)入銅基體中，從而引起點(diǎn)陣畸變，而點(diǎn)陣畸變對(duì)電子運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)烈的散射作用，會(huì)阻礙電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致合金電阻率上升，進(jìn)而使得合金導(dǎo)電率降低[6-9]。

3.3 固溶保溫時(shí)間對(duì)合金組織的影響

利用Olympus Gx51金相顯微鏡觀察在790 ℃下固溶保溫不同時(shí)間的試樣組織(圖2)，并統(tǒng)計(jì)其平均晶粒尺寸，如表2所示。當(dāng)固溶保溫時(shí)間為30 min時(shí)，合金出現(xiàn)再結(jié)晶，并形成細(xì)小的等軸晶組織，平均晶粒尺寸小于10 μm，

圖2 QBe2鈹青銅合金在790℃不同固溶時(shí)間后的金相組織：(a)30 min, (b)60 min, (c)90 min, (d)120 minFig.2 Metallographic structure after solution at 790 ℃ for 30 min (a), 60 min (b), 90 min (c) and 120 min (d)

表2 在790 ℃、不同固溶保溫時(shí)間下QBe2鈹青銅合金的平均晶粒尺寸

且部分析出相已溶解于銅基體中，如圖2a所示。隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中晶粒長(zhǎng)大，且晶內(nèi)析出相顆粒數(shù)量減少(圖2b)。當(dāng)固溶保溫時(shí)間為90 min時(shí)，合金中平均晶粒尺寸約為15 μm，且試樣內(nèi)部析出相基本完全溶解于銅基體中，如圖2c所示。繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間至120 min，合金中的晶粒長(zhǎng)大不明顯(圖2d)。

3.4 固溶保溫時(shí)間的優(yōu)化

固溶處理對(duì)QBe2鈹青銅合金組織的影響與合金基體再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大和析出相溶解行為密切相關(guān)。固溶處理前，QBe2鈹青銅合金經(jīng)過(guò)冷軋變形，固溶處理溫度為790 ℃，明顯高于其再結(jié)晶溫度。在較高的溫度條件下,合金發(fā)生回復(fù)所消耗的形變儲(chǔ)能較小，為后續(xù)再結(jié)晶提供了更大的形變儲(chǔ)能，再結(jié)晶形核率明顯增大，因此合金在較短的保溫時(shí)間內(nèi)(如30 min)就基本發(fā)生了再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶。繼續(xù)延長(zhǎng)固溶保溫時(shí)間，合金在較高的溫度條件下晶界遷移率較大，且析出相逐漸溶解于銅基體中，析出相對(duì)晶界遷移的阻礙作用較小，合金的晶粒明顯長(zhǎng)大。晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力是界面自由能，在后續(xù)的晶粒正常長(zhǎng)大過(guò)程中，隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶界遷移的驅(qū)動(dòng)力下降，達(dá)到近平衡狀態(tài)，晶界遷移率下降，固溶保溫時(shí)間大于90 min時(shí)，合金的晶粒長(zhǎng)大已不明顯了。

因位錯(cuò)受晶界阻擋形成塞積群，當(dāng)塞積群中領(lǐng)頭位錯(cuò)受到的應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值，即可將相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)時(shí)，即構(gòu)成屈服條件，與此應(yīng)力對(duì)應(yīng)的外力即屈服強(qiáng)度。鄒章雄、Yan等的研究發(fā)現(xiàn)，多晶材料的外加切應(yīng)力與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系，即Hall-Petch關(guān)系[10-13]。

對(duì)在790 ℃、不同保溫時(shí)間固溶后的QBe2鈹青銅合金試樣的屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸進(jìn)行擬合分析如圖3所示，結(jié)果表明，60，90和120 min實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合基于長(zhǎng)時(shí)間固溶的單相固溶體的Hall-Petch關(guān)系，而30 min的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻遠(yuǎn)高于Hall-Petch關(guān)系預(yù)測(cè)值，說(shuō)明30 min時(shí)第二相強(qiáng)化作用依然存在，此時(shí)γ相未完全固溶入基體晶格點(diǎn)陣；固溶時(shí)間為60 min時(shí)，可以認(rèn)為γ相關(guān)強(qiáng)化相已基本溶入基體晶格點(diǎn)陣，第二相強(qiáng)化作用消失，但實(shí)驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)度低于Hall-Petch關(guān)系的預(yù)測(cè)值，表明第二相雖已基本溶解，失去第二相強(qiáng)化作用，但并未形成充分均勻的固溶體，處于固溶強(qiáng)化效果欠佳的狀態(tài)。

圖3 QBe2在790 ℃、不同固溶時(shí)間條件下屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系Fig.3 Relation between yeild strength and average grain size of QBe2 alloy solutioned at 790 ℃ from experimental results and theoretical curve of Hall-Petch formula

4 結(jié) 論

本文對(duì)QBe2鈹青銅合金進(jìn)行了790 ℃、固溶保溫時(shí)間分別為30，60，90和120 min的固溶處理，并對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、斷后伸長(zhǎng)率和導(dǎo)電率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及分析，發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

(1)隨著固溶保溫時(shí)間延長(zhǎng)至90 min，QBe2鈹青銅合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及硬度不斷降低，而斷后伸長(zhǎng)率不斷增大。當(dāng)固溶保溫時(shí)間為120 min時(shí)，合金的塑性最好。

(2)QBe2鈹青銅合金的導(dǎo)電率隨固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至90和120 min時(shí)，導(dǎo)電率下降顯著。

(3)在固溶保溫時(shí)間為30 min時(shí)，合金基本發(fā)生了完全再結(jié)晶，并形成平均晶粒尺寸約為10 μm的等軸晶組織，且部分析出相已溶解于銅基體中。隨著固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中的晶粒長(zhǎng)大，且晶內(nèi)析出相顆粒數(shù)量減小。當(dāng)固溶保溫時(shí)間延長(zhǎng)至120 min時(shí)，合金中的晶粒長(zhǎng)大不明顯。

(4)由實(shí)驗(yàn)可以得出，QBe2鈹青銅合金在790 ℃熱處理制度下的最佳固溶保溫時(shí)間為90～120 min；且不同固溶保溫時(shí)間處理后，材料的屈服強(qiáng)度與平均晶粒尺寸符合Hall-Petch關(guān)系。