曹 健

（陜西服裝工程學院，陜西 西安 712046）

1 引言

人類文化發(fā)展至今，有許多的金屬被發(fā)現(xiàn)并使用，其中銅對人類文明的影響最顯著，在人類的歷史中有一個時期用青銅器命名，那就是青銅器時期。在中國，青銅最早出現(xiàn)在商周時期?，F(xiàn)如今，銅對于社會的不斷進步業(yè)已經(jīng)做出巨大的貢獻，并將繼續(xù)影響人類科技的發(fā)展。銅在科技發(fā)達的今天是一種既常見又重要的金屬材料。未來對于銅的需求不僅僅是單純的增加數(shù)量，而且對質(zhì)量也有更高的要求，同時需要的種類也是目前迫切的追求。美國的精煉銅產(chǎn)量是世界第一，同時銅的產(chǎn)量也是世界第一。如今，我國作為全世界上第一大銅消費國，然而我國生產(chǎn)的精煉銅，卻只占到了全世界的20%左右，同時我國的銅資源的儲備量僅僅占據(jù)世界的5%左右，又因為我國的快速發(fā)展對于銅有大量的需求，因此我國用來精煉銅的原料基本上都來自于國外，這種壓力迫使我國在金屬材料方面進行著突破。

這些年，我國在有色金屬材料方面形成了自己所獨有的體系和牌號，例如純銅的牌號則為T2、無氧銅則為TU1，而在金屬銅中添加各種不同的金屬元素則會形成各種各樣的銅合金材料，這些銅合金材料所表現(xiàn)出來的性能各不相同，這使得銅合金的種類多樣化，銅合金材料所能夠適用的場景，也從單一向著多方面發(fā)展。

我國在這幾十年里金屬材料的發(fā)展成果是喜人的，但這種發(fā)展從來不會是單一的，銅合金的種類變多、用途變廣，與之對應的銅合金材料的加工技術(shù)也有著相應提高，近些年，銅的加工技術(shù)有了巨大突破，但是卻有著先進與落后并存的特點，因此我國的銅加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的很大，卻沒有頂尖的配套技術(shù)，這就使得我國的頂尖技術(shù)產(chǎn)品絕大部分只能從國外進口，這就導致我國有可能在關(guān)鍵情況下被他國卡脖子的狀況，為了解除國外的掣肘，我國大力發(fā)展銅加工技術(shù)取得了許多的成果，其中有著三大技術(shù)創(chuàng)新：行星軋制技術(shù)、連續(xù)鑄造技術(shù)、連續(xù)擠壓技術(shù)。還有幾項重大成果：鑄軋拉精密銅管產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、潛流式水平連鑄利用再生原料直接生產(chǎn)銅加工材技術(shù)、無氧銅帶材生產(chǎn)技術(shù)、多線上引鑄造大直徑銅管，上引合金棒型材生產(chǎn)技術(shù)、合金管材盤式生產(chǎn)技術(shù)、連續(xù)擠壓-銅排卷式生產(chǎn)，合金棒狀型生產(chǎn)技術(shù)、水平連鑄帶坯電磁攪拌技術(shù)、銅球冷旋軋制技術(shù)。

1.1 銅合金的塑性加工技術(shù)

隨著銅合金的種類及其用途的發(fā)展，伴隨其同步發(fā)展的還有銅合金的塑性加工技術(shù)，傳統(tǒng)的塑性加工技術(shù)有熱軋、溫軋等，而目前出現(xiàn)了一種被稱為革命性的金屬材料軋制技術(shù)，這項技術(shù)就是深冷軋制技術(shù)。經(jīng)過研究表明一些金屬材料在經(jīng)過深冷處理之后擁有優(yōu)秀的塑性變形能力，而且些材料在深冷處理之后其位錯運動和再結(jié)晶會受到阻礙，這就會使得金屬材料的晶粒得到細化，又因為晶粒影響著材料的力學性能，即晶粒越細，其抗拉強度與屈服硬度等力學性能數(shù)值會隨之變大。深冷異步軋制技術(shù)的本質(zhì)就是使金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使得金屬材料的性能能夠達到所需求的程度。

一些研究表明，經(jīng)過深冷處理，金屬材料的力學性能、導電性、耐蝕性等材料性能的改善較為突出。黃云戰(zhàn)，晉芳偉等人研究了，鉛黃銅經(jīng)過深冷處理其機械性能的變化。將深冷處理的鉛黃銅樣品進行一系列性能檢測，然后得出了結(jié)果：經(jīng)過深冷處理的銅合金，其材料的塑性并沒有降低，相反還加強了析出強化，這使的鉛黃銅合金獲得了較好的材料性能，并提高了鉛黃銅合金的耐磨性。

1.2 深冷異步軋制技術(shù)的現(xiàn)狀

深冷異步軋制[7]ACR(Asymmetric cryorolling)之所以被稱之為革命性的軋制技術(shù)，是因為在此之前的軋制都是在室溫和室溫之上的環(huán)境中進行金屬材料的軋制，而深冷異步軋制是在超低溫環(huán)境下進行軋制，這就使得軋制出來的金屬材料在某些性能方面會優(yōu)于傳統(tǒng)軋制技術(shù)下的金屬材料。絕對零度約為-273℃，而深冷異步軋制就目前而言一般是采用液氮進行深冷處理，也就是在-190℃的環(huán)境下進行深冷處理，然后使用配套的深冷軋制機器對經(jīng)過了深冷處理的金屬材料進行異步軋制，由于是在-190℃的環(huán)境下，其金屬材料的原子的位錯運動受到抑制，這就使得金屬材料的晶粒細化，而晶粒細化能夠提高金屬材料的強度，同時也強化了韌性。對于某一些特殊的合金材料，深冷異步軋制增強其機械性能，使其與在進行大塑性變形過程之中的軟化現(xiàn)象進行抵消，從而使金屬材料的機械性能得到提升。

而我國目前對于深冷異步軋制仍然在探索階段，對于通過其所制備的金屬材料機械性能的研究依舊不足。而且，研究人員目前所主要關(guān)注的點，是深冷異步軋制所制備出來的金屬材料的力學性能，對于其他的材料性能，例如抗疲勞性能等等的關(guān)注度非常不足，這使得金屬材料的全服役性能的研究程度需要加深，若是能夠?qū)⒉牧系娜坌阅苎芯客笍?，那么深冷異步軋制技術(shù)的大規(guī)模批量生產(chǎn)的時日不遠了。深冷異步軋制技術(shù)主要用于制備鋁，銅等合金，而對于熵合金等其他金屬材料研究較少，所以在未來，我國會加強對于此類高性能金屬材料的研究。

就現(xiàn)在的深冷異步軋制工藝而言，深冷異步軋制的深冷處理基本上都為液氮處理，其溫度也就為液氮溫度，然而深冷異步軋制效果最好的溫度依舊沒有確定數(shù)值，所以得出最優(yōu)溫度仍然需要進行大量的實驗探索。而在金屬軋制技術(shù)方面，深冷異步軋制技術(shù)相對于普通的軋制技術(shù)，可謂是一個革命性的技術(shù)。在未來，隨著越來越深入的研究，深冷軋制技術(shù)有可能會出現(xiàn)一個新階段，在新階段創(chuàng)造出不同于現(xiàn)在的新成果。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，各種機械制備裝備和與之對應的金屬材料軋制技術(shù)將會占據(jù)新的重要陣地[14]。

2 試驗方案和實驗過程

2.1 實驗材料

實驗用材料為1mm×150mm×25mm(厚×長×寬)T2銅合金板材，該銅合金板材具有很好的金屬材料性。因為本身材料的雜質(zhì)極少，所以T2銅合金的銅加銀的比例達到了99.9%。該合金的成分如表1所示。

表1 T2銅合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)%）

2.2 實驗工藝流程

為了了解T2銅合金深冷異步軋制強度和韌性的性能，通過累積疊軋和深冷異步軋制實驗，了解累積軋制變形過程中組織的變化，探索T2銅合金的深冷異步軋制變形規(guī)律和組織的變化規(guī)律，確定軋制過程中，工藝參數(shù)對銅合金板材的組織及其性能的影響。首先將實驗材料選定好后，將材料進行累積疊軋，在進行了6道次（即64層）的操作之后，將所得到的材料截取一半，進行機械性能的研究以及微觀組織觀察的分析，得到其測試數(shù)據(jù)；再將剩余的一半材料放入液氮環(huán)境下，溫度為-190℃，進行深冷異步軋制實驗，再將深冷異步軋制后所得到的材料進行機械性能的研究以及微觀組織的觀察與分析，得到需要的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)后，再將之前累積疊軋所得到的材料的實驗數(shù)據(jù)與先累積疊軋再深冷異步軋制得到的材料的實驗數(shù)據(jù)進行對比分析得到結(jié)果，最后形成結(jié)論。實驗的具體的實驗流程如下圖2-1。

圖2-1 實驗流程圖

2.3 對銅合金板材進行累積疊軋 （ARB）處理以及深冷異步軋制(ACR)處理

ARB處理技術(shù)作為制備超細晶粒金屬材料而發(fā)明的一種嚴重塑性變形（SPD）工藝，ARB是唯一適用于大宗物料進行連續(xù)生產(chǎn)的嚴重塑性變形工藝。在這個過程中，50%的軋制材料被切成兩半，堆放成初始尺寸，然后再次軋制。所以為了獲得一個實體材料，累積疊軋過程不僅僅是一個變形過程，而且還是一個滾壓結(jié)合的過程。通過重復之前的操作，可以實現(xiàn)對大塊的銅合金板材的嚴重塑性變形。而為了有很好的焊接效果，在堆疊軋制操作之前，需要對板材表面進行脫脂和打磨等表面加工處理。

在進行累積疊軋過程中，通過脫脂和打磨等初步處理的銅合金板材堆放在一起，然后進行軋制。使用實驗室軋機進行ARB處理，該軋機由兩個直徑為130mm的軋輥組成，軋制速度為1.34m/s。先將1mm厚度的銅合金板材從中間切割成兩半，兩塊新的銅合金板材尺寸相同，然后將兩塊銅合金板材進行疊堆，再進行軋制，每道次的累積疊軋的壓下率都要為50%，程序再重復6次，銅合金板材變形前厚度為1mm，經(jīng)過6道次累積疊軋之后，每層銅合金厚度約為15.625nm。

通過6道次累積疊軋操作之后再將得到的銅合金板材從中間切斷分成兩份，將其中一份銅合金板材進行機械性能研究和微觀組織觀察，然后分析其數(shù)據(jù)，再另一份銅合金板材則進行下一步的深冷異步軋制。

深冷異步軋制技術(shù)是將材料放到液氮箱當中冷卻一段時間之后，使材料達到很低的溫度（約-190℃）之后再對材料進行異步軋制處理的低溫變形技術(shù)。深冷異步軋制采用多功能四輥軋機，最大軋制力為50kN，工作輥直徑為50mm。工作輥經(jīng)過新拋光，表面光滑。

將之前經(jīng)過累積疊軋的另一份銅合金板材放入液氮箱（-190℃）進行深冷處理8分鐘以上，然后將多功能四輥軋機上下輥之間的軋制速度比，即異速比設定為1.3，然后利用深冷異步軋機機組對深冷處理之后的銅合金板材進行深冷異步軋制。銅合金板材在第一、第二和第三次軋制道次之后，銅合金板材的總厚度分別逐漸減小到0.65、0.45毫米，最后減小到0.25毫米。

將經(jīng)過累積疊軋和深冷異步軋制得到的銅合金板材機械性能研究和微觀組織觀察，并將得到的數(shù)據(jù)進行分析與之前只進行了累積疊軋的銅合金板材進行對比。其過程示意圖如圖2-2累積疊軋及深冷異步軋制示意圖。

圖2-2 累積疊軋及深冷異步軋制示意圖

3 實驗數(shù)據(jù)整理

3.1 對累積疊軋?zhí)幚砗蟮你~合金板材進行數(shù)據(jù)整理

實驗材料T2銅合金板材的機械性能隨累積疊軋的軋制道次的變化如圖3-1（a）所示。由圖中數(shù)據(jù)表明，銅合金的抗拉強度和屈服強度，都隨著累積疊軋道次的增加而增加，并且第一道次的兩個數(shù)據(jù)的增幅最大，分別由母材240MPa和89MPa分別提高到383MPa和350MPa，然后隨著累積軋制道次的逐漸增加，兩個強度的增加幅度開始趨于穩(wěn)定，最后道次也就是第6道次的強度達到了最大，分別是443MPa和412MPa。

圖3-1(a） 抗拉強度與屈服硬度隨道次的變化

與之相反的是，在抗拉強度和屈服強度都在增加的同時，銅合金板材的延伸率卻在第一道次就已經(jīng)急劇下降，如圖3-1（b），第一次延伸率僅有5.5%，之后隨著累積疊軋道次數(shù)的逐漸增加，延伸率幾乎一直在降低，直到最后一道次也就是第6道次延伸率僅僅只有5.2%。

圖3-1(b） 延伸率隨道次的變化

接下來，通過觀察圖3-1（c）可以得出，T2銅合金板材在經(jīng)過6道次的ARB實驗后，隨著軋制道次次數(shù)的增多，材料的顯微硬度隨之上升，首道次增幅最大，母材的顯微硬度由45HV上升增至120HV，第6次軋制顯微硬度達到了最大值132 HV，大約為軋制之前硬度值的3倍。相比于第一道次，剩余道次的顯微硬度變化是比較穩(wěn)定的。

圖3-1(c） 顯微硬度隨道次的變化

3.2 對進行累積疊軋+深冷異步軋制處理的銅合金板材進行數(shù)據(jù)整理

實驗表明T2銅合金板材的機械性能隨著深冷異步軋制道次的增加，其力學性能與之前的累積疊軋相比有著明顯的提升，材料的抗拉強度和屈服強度變化如圖3-2（a），由圖中數(shù)據(jù)表明經(jīng)過3次深冷異步軋制其抗拉強度與屈服硬度分別從443MPa和412MPa增加到690MPa和658MPa，在深冷異步軋制中增加幅度沒有明顯的變化，但與累積疊軋相比累積疊軋+深冷異步軋制增加幅度變大了。

圖3-2（a） 抗拉強度與屈服硬度隨ACR道次的變化

顯微硬度如圖3-2（b），在經(jīng)歷3次深冷異步軋制之后銅合金板材的顯微硬度由132 HV增加到了144 HV，其顯微硬度的增加幅度，是比較穩(wěn)定的，但是累積疊軋+深冷異步軋制與累積疊軋的幅度相比，顯微硬度增加幅度有了明顯的增加。

圖3-2（b） 顯微硬度隨ACR道次的變化

4 累積疊軋?zhí)幚砗蜕罾洚惒杰堉频姆治?/h2>

4.1 對累積疊軋?zhí)幚砗蟮你~合金板材進行微觀組織觀察和分析

圖4-1（a）、（b）、（c）分別是累積疊軋1、3、6道次式樣縱截面的光學金相形貌照片。由此可見，通過累積疊軋所形成的層狀結(jié)構(gòu)，會隨著疊軋道次的增加，其樣品的總厚度H不變，但每一層的厚度h逐漸減少：h=H/2n，n為疊軋道次數(shù)；疊軋形成的界面數(shù)為2n-1。如圖4-1（a），圖中銅合金板材中間位置，為第一道次所形成的界面

圖4-1（a） 純銅板經(jīng)1道次累積疊軋后縱截面的宏觀形貌圖

如圖4-1（b），中間位置為第三道次疊軋形成的界面，而第1、第2道次疊軋形成的界面已經(jīng)開始有斷處出現(xiàn)。

圖4-1（b） 純銅板經(jīng)3道次累積疊軋后縱截面的宏觀形貌圖

如圖4-1（c），圖中黑色箭頭所指，除了中心處，最后道次新形成的界面連續(xù)可見外，其他位置先前形成的界面則逐漸斷續(xù)難辨。表明最后道次新形成的界面處存在處理缺陷(微縫隙等)，即尚未完全達到冶金結(jié)合。若是繼續(xù)累積疊軋，隨著累積疊軋道次的增加，界面被不斷地變形拉長，致使存在于界面處的缺陷被逐漸去除，界面最終達到原子結(jié)合。

圖4-1（c） 純銅板經(jīng)6道次累積疊軋后縱截面的宏觀形貌圖

為觀察累積疊軋的斷口形貌，將不同累積疊軋道次下銅合金進行拉伸操作，直到將其拉斷，用顯微器進行觀察，如圖4-2（a），我們可以由圖知道在軋制開始之前銅合金板材內(nèi)的組織相對比較均勻，其晶粒尺寸為50μm。

圖4-2(a) 0道次累積疊軋道次下T2銅合金的拉伸斷口

由圖4-2(b)，可以知道在開始了累積疊軋之后銅合金板材的組織晶粒開始得到細化，這使得銅合金板材的力學性能開始有了改變。

圖4-2(b) 1道次累積疊軋道次下T2銅合金的拉伸斷口

由圖4-2(c)可以得知經(jīng)累積疊軋之后，T2銅合金板材的拉伸斷口不再呈母材典型的韌性斷裂，而是包含韌窩和撕裂棱的混合斷裂特征，表現(xiàn)為剪切韌性斷裂。

圖4-2(c) 6道次累積疊軋道次下T2銅合金的拉伸斷口

從位錯理論的觀點來看，T2銅合金在進行冷加工塑性變形時，強度和硬度會隨著變形量的增加，也隨之增加，相反塑性會隨之下降，這就會表現(xiàn)出加工硬化的現(xiàn)象。隨著變形量的增大，銅合金板材所表現(xiàn)出的加工硬化的現(xiàn)象越來越嚴重，位錯運動所受阻力不斷增大，其運動因此變得越來越困難。

4.2 對ARB+ACR處理后的銅合金板材進行微觀組織觀察和分析

如圖4-3，為顯示了深冷異步軋制處理的銅合金板材的透射電子顯微鏡（TEM）圖，由圖中可以看到，在深冷異步軋制過程中，銅合金板材顯示出層壓微結(jié)構(gòu)，層與層之間有清晰的晶界，而且晶界平行于軋制方向，而且經(jīng)受深冷異步軋制的銅合金板材，平均層壓厚度減小到245nm。

圖4-3 ARB+ACR處理的銅合金板材TEM圖

為觀察3次深冷異步軋制之后的斷口形貌，將累積軋制+深冷異步軋制處理的銅合金板材進行拉伸操作，直至斷裂，用專門的顯微儀器進行觀察，如圖4-4 ARB+ACR的拉伸試樣的SEM圖。

圖4-4 ARB+ACR的拉伸試樣的SEM圖

由圖可以得知，在深冷異步軋制的過程中，低溫限制了位錯運動，導致具有層狀結(jié)構(gòu)的細的晶粒，而層狀結(jié)構(gòu)的細的晶粒使得經(jīng)受深冷異步軋制的銅合金板具有較高熱穩(wěn)定性。納米顆粒的晶格畸變在控制納米材料的晶粒尺寸穩(wěn)定性方面起著非常重要的作用。

5 總結(jié)

累積疊軋（ARB）技術(shù)作為一種嚴重塑性變形（SPD）技術(shù)，因為是目前唯一適用于大宗物料進行連續(xù)生產(chǎn)的嚴重塑性變形工藝，擁有廣泛的前景，銅合金板材經(jīng)過累積疊軋后形成層狀結(jié)構(gòu)，原始銅合金材料晶粒能夠得到明顯的細化，在累積疊軋的過程之中，晶粒會漸漸被壓扁拉長成片層晶，此論文中，在累積疊軋6道次之后，銅合金板材晶粒細化均勻，而在厚度方向上晶粒尺寸約為0.2μm。晶粒細化的表現(xiàn)形式主要為滑移分割，還有著少量的孿生。銅合金板材在經(jīng)歷累積疊軋之后抗拉強度、屈服強度和顯微硬度都有著極其明顯的提升。

ACR技術(shù)作為目前一種新興的工藝，具有降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品工藝性能等廣大潛力。經(jīng)過深冷異步軋制之后晶粒得到更近一步的細化，經(jīng)過深冷異步軋制制備的銅合金板材，平均層壓厚度能減小到245nm，而在深冷異步軋制過程之中，銅合金板材由于附加剪切應變和低溫下嚴重塑性變形造成較細的晶粒。因為銅合金板材在軋制變形過程中的晶粒生長和晶粒細化行為決定了超細晶粒材料的強度和延展性，所以當我們使用深冷異步軋制來制造平均晶粒寬度為230納米，且具有層壓結(jié)構(gòu)的超細晶粒銅片。超細晶粒銅片中產(chǎn)生的形變孿晶等能使銅合金板材的抗拉強度與屈服硬度有極大的提高，使銅合金板材具有優(yōu)良的機械性能。