時效工藝對鈹青銅薄板彈性元件顯微組織和力學(xué)性能的影響分析

武婧亭 趙 斌 韓 岷 冉江南

時效工藝對鈹青銅薄板彈性元件顯微組織和力學(xué)性能的影響分析

武婧亭 趙 斌 韓 岷 冉江南

（天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300450）

研究了不同時效參數(shù)對鈹青銅顯微組織和力學(xué)性能的影響，金相和力學(xué)性能分析的結(jié)果表明：時效溫度不同，鈹青銅彈性元件的顯微組織和力學(xué)性能不同。經(jīng)工藝三處理后的鈹青銅彈性元件顯微組織晶界清晰，且明顯有強化相γ相析出，硬度在370～380 HV10，而經(jīng)工藝一和工藝二處理后的鈹青銅顯微組織無強化相析出，或析出較少，硬度不足330 HV10。

QBe2.0；時效處理；微觀組織；力學(xué)性能

1 引言

鈹青銅是以鈹為基本合金元素的銅基合金材料，它具有高彈性、高強度，是一種重要的彈性材料。且具有耐腐蝕、耐疲勞、無磁性、彈性滯后小、穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性好、承受冷熱壓力加工的能力較強等優(yōu)良的綜合性能。被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、電器、軍工等領(lǐng)域[1～3]。某機構(gòu)件用QBe2鈹青銅薄板做彈性元件，后進行真空時效處理，分析并研究熱處理工藝參數(shù)對鈹青銅彈性元件顯微組織和力學(xué)性能的影響。

2 試驗材料及過程

2.1 材料

試驗用鈹青銅薄板QBe2.0的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）見表1。

表1 QBe2.0 鈹青銅板的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.2 工藝流程

鈹青銅QBe2.0 C態(tài)，0.5mm薄板加工成如圖1所示彈性元件3件，以下稱試件1、試件2和試件3加工工藝流程為：下料→線切割→鉗工折彎→真空時效處理。真空時效處理設(shè)備型號為HZQ-80。

圖1 彈性元件三維模型

表2 熱處理工藝參數(shù)

分別按表2中的三種工藝真空時效處理，時效處理后選取5mm×5mm小塊制備金相試樣，經(jīng)打磨，拋光后采用10gCuCl2+90ml氨水腐蝕5～8s后洗凈，吹風(fēng)機吹干，在Axio vert A1金相顯微鏡下觀察分析微觀組織形貌。在THBRVP-187.5E數(shù)顯硬度計上測量試樣硬度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 金相組織

結(jié)合金相組織檢測來分析不同熱處理工藝參數(shù)下的效果，將三個試件分別用鑲嵌機鑲嵌為金相試樣，如圖2所示，在Axio vert A1金相顯微鏡下觀察其微觀組織。

圖2 金相式樣

圖3 三種工藝下的鈹青銅彈性元件金相組織

圖3是三種工藝的鈹青銅顯微組織。經(jīng)工藝一處理后的鈹青銅組織如圖3a所示，可以看到并無強化相析出。經(jīng)工藝二處理后的鈹青銅如圖3b所示，晶界不清晰，強化相γ相析出較少且細小，不易分辨。圖3c是工藝三處理后的鈹青銅顯微組織，可看出其顯微組織明顯有別于工藝一和工藝二，有明顯的強化相γ相。對比圖3a、圖3b、圖3c可知，時效溫度較低，黑色γ相較少，時效溫度升高，亮白色β相分解為黑色γ相，γ相逐漸增多，晶界附近黑色區(qū)域逐漸增多。

α、β、γ三相存在于鈹青銅顯微組織中，α相是以銅為基的面心立方晶格固溶體，低硬度，高韌性。β相是以電子化合物CuBe2為基的體心立方晶格無序固溶體，高溫穩(wěn)定性好。γ相是以CuBe2為基的體心立方晶格有序固溶體，高硬度，高脆性[4～10]。

3.2 力學(xué)性能

試件1和試件2力學(xué)性能如表3所示。

表3 不同熱處理工藝參數(shù)下的試件維氏硬度

圖4為時效溫度與維氏硬度的關(guān)系，可以看出，隨著溫度的升高，維氏硬度逐漸增加，280℃硬度最低，僅HV175-194。320℃硬度最高，為HV372-377。工藝一處理后的鈹青銅組織中沒有過飽和的α固溶體出現(xiàn)，也沒有強化相γ相出現(xiàn)，因此硬度得不到提高。工藝二處理后的鈹青銅組織僅有少量γ相出現(xiàn)。Cu-Be二元合金相圖表明鈹青銅的固溶處理機制是鈹在銅中的溶解度隨溫度的降低而降低，鈹青銅加熱到其固溶溫度，保溫后快速冷卻，使富鈹相充分固溶于銅基體中，獲得最大濃度的過飽和固溶體。時效強化機理是從過飽和的固溶體中析出高度彌散的γ相從而提高鈹青銅的強度。由于鈹元素固溶于銅中，產(chǎn)生了過飽和α相，析出在晶界上，基體α組織內(nèi)部分散著均勻的小顆粒物，即溶解度相當(dāng)?shù)偷挠泊嘞唳?，γ相呈點狀，為硬而脆的金屬間化合物，呈彌散分布，使位錯運動受阻，從而材料硬度增加。過飽和的α固溶體發(fā)生脫溶，脫溶物呈彌散分布，時效硬化明顯。γ相分布范圍較廣，合金的脆性增大。

圖4 不同熱處理工藝參數(shù)下的試件維氏硬度對比

4 結(jié)束語

a. 時效溫度不同，鈹青銅彈性元件的顯微組織和力學(xué)性能不同，經(jīng)320℃，2.5h處理后的鈹青銅彈性元件顯微組織晶界清晰，且有明顯強化相γ相析出。而經(jīng)280℃，2.5h處理后的鈹青銅顯微組織晶界不清晰，無強化相析出。而經(jīng)300℃，2.5h處理后的強化相析出較少，不易分辨。

b. 經(jīng)320℃，2.5h處理后的鈹青銅彈性元件硬度為373HV10，明顯高于280℃處理后的191HV10和300℃處理后的310HV10。再次驗證了時效過程中，從過飽和體α組織內(nèi)析出了溶解度相當(dāng)?shù)偷挠泊嘞唳?，呈彌散分布，使位錯運動受阻，從而材料硬度增加。

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Effect of Aging Processing Parameter on Microstructure and Mechanical Property of Beryllium Bronze Elastic Element

Wu Jingting Zhao Bin Han Min Ran Jiangnan

(Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical equipment, Tianjin 300450)

Theeffect of aging processing parameter on microstructure and mechanical property of beryllium bronze elastic element was studied. The result shows that, the microstructure and mechanical property of beryllium bronze elastic element were different because of the varied heat treatment parameter. After the third technology, the crystal boundary of the microstructure was clear, and the strengthening phase was separated out. And the vickers-hardness was 370-380 HV10. While there was no strengthening phase after the first technology or the second technology. And the vickers-hardness was less than 370～380 HV10.

QBe2.0；aging treatment；microstructure；mechanical property

武婧亭（1985），碩士，材料成型及控制工程專業(yè)；研究方向：金屬材料熱處理工藝技術(shù)的研發(fā)。

2020-07-17