超細(xì)晶銅力學(xué)和阻尼性能及微觀結(jié)構(gòu)研究

劉 芳，許光麗，陸 郡

(上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200093)

銅及其合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的可塑性在電氣、機(jī)械和軍事領(lǐng)域備受關(guān)注[1-2]。然而銅的強(qiáng)度較低，使其在某些特定條件下的使用受到限制[3-4]。隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)器設(shè)備引起的振動(dòng)噪音日益增加，不僅影響機(jī)器構(gòu)件的疲勞壽命，也影響人們的身心健康[5]。在眾多阻尼材料中，金屬阻尼材料既可滿足高阻尼減振降噪性能，又能滿足強(qiáng)度要求[6]。

等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)是一種大塑性變形(Severe Plastic Deformation, SPD)工藝[7-8]，它可以用簡單的工藝制造具有超細(xì)晶粒的塊狀材料，大大提高其強(qiáng)度和阻尼性能[9-10]。Sülleiová等[11]的研究表明，SPD后晶粒細(xì)化效果明顯，可同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和延展性。Goto等[12]研究了ECAP處理的超細(xì)晶銅的疲勞損傷和裂紋擴(kuò)展行為。在高應(yīng)力下，沿ECAP剪切面形成的剪切帶方向開始出現(xiàn)疲勞裂紋；在低應(yīng)力下，粗大晶粒內(nèi)部形成滑移帶，并在此滑移帶內(nèi)形成裂紋。Higuera-Cobos等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)ECAP處理的超細(xì)晶銅的疲勞極限顯著增加。范國棟[14]的研究表明：純鎂ECAP后,在較低溫度下退火導(dǎo)致其與應(yīng)變振幅無關(guān)的阻尼降低；在較高溫度下退火使純鎂的阻尼性能升高。目前，對ECAP處理后的CP-Cu的疲勞和阻尼性能的研究尚不充分,制備具有高強(qiáng)度和良好阻尼性能的純銅及其合金是一個(gè)重要的課題。

為此，本文對商業(yè)純銅進(jìn)行多道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓實(shí)驗(yàn)，研究其對材料力學(xué)性能，尤其是疲勞性能和阻尼性能的影響，以期為超細(xì)晶純銅在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為商業(yè)純銅，成分見表1，原始尺寸為Φ18 mm×17 mm，在600 ℃氮?dú)鈿夥罩型嘶? h后平均晶粒尺寸為77.0 μm，如圖1所示。

表1 商業(yè)純銅化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

在環(huán)境溫度下對CP-Cu棒進(jìn)行BC路徑等通道轉(zhuǎn)角擠壓12道次，模具參數(shù)和工藝參數(shù)參見文獻(xiàn)[10]。根據(jù)Iwahashi原理[15]，每道次的等效應(yīng)變均為0.635。

擠壓后的樣品采用低速線切割放電加工機(jī)(DK7625P)縱向切割出尺寸為20 mm×2 mm×0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)狗骨形樣品，而后采用微單軸拉伸機(jī)(ZWICK Precisionline Vario)測試試樣在環(huán)境溫度下的力學(xué)性能 (拉伸速度為0.1 mm/min、預(yù)壓力為5 N)。用ZEISS Axio Imager A2M光學(xué)顯微鏡(OM)、FEI TECNAI F30透射電子顯微鏡(TEM)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。將用于TEM分析的樣品拋光至40 μm的厚度，然后在-40 ℃下進(jìn)行離子減薄。

圖1 CP-Cu退火后的微觀結(jié)構(gòu)

在環(huán)境溫度下用ZWICK Amsler HFP 5100高循環(huán)拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)，在壓力范圍120～200 MPa，頻率為60 Hz條件下測量4道次和 8道次擠壓后樣品的疲勞壽命,使用FEI Quanta 450掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察疲勞試樣的斷口形貌。

采用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA Q800)的單懸臂模式測試4 道次和8道次擠壓后樣品的阻尼性能。給定應(yīng)變?yōu)?.08%，振幅為12 μm。經(jīng)4道次擠壓的樣品測試溫度范圍分別為-140～-25 ℃和35～70 ℃；經(jīng)8道次擠壓的樣品測試溫度范圍分別為-140～-25 ℃和35～270 ℃。測試頻率為0.1、0.2、0.5、1、2和4 Hz。實(shí)驗(yàn)溫度變化速度為0.6 ℃/m。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

圖2為8道次擠壓后商業(yè)純銅樣品的微觀組織照片。由圖2可以看出，隨著變形程度的增加，等軸晶粒逐漸被拉長并出現(xiàn)大量的滑移帶和孿晶。當(dāng)累積變形達(dá)到一定程度時(shí)，很難區(qū)分出晶界，且纖維結(jié)構(gòu)沿著變形方向被拉長。

圖3是5道次和8道次擠壓后商業(yè)純銅的TEM圖，可以看出：5道次擠壓后樣品的選區(qū)衍射光譜由一些明亮且非常小的色散曲線組成，表明晶界之間的夾角較??；而8道次擠壓后樣品的選區(qū)衍射光譜由連續(xù)衍射環(huán)組成，這表明小角度晶界轉(zhuǎn)變成為大角度晶界且晶粒進(jìn)一步細(xì)化。反復(fù)擠壓過程中，剪切帶相互作用并相互融合，同時(shí)位錯(cuò)也不斷增殖，使大晶粒破碎成小晶粒。 8道次后，大晶粒完全細(xì)化為細(xì)小均勻的晶粒。

圖2 純銅試樣ECAP 8道次后的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 不同擠壓道次后商業(yè)純銅的TEM圖

2.2 力學(xué)性能

不同擠壓道次純銅樣品的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，可以看出:1道次擠壓后樣品的極限強(qiáng)度從原來的297.0 MPa提高到324.2 MPa，屈服強(qiáng)度由276 MPa提高到315.2 MPa；ECAP 2道次后純銅的極限強(qiáng)度提高到345.8 MPa，屈服強(qiáng)度提高到338.5 MPa，分別增加了16.4%和22.6%。前5道次樣品的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提升，隨后材料的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨道次增加提高緩慢，8道次后純銅的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為410.7 和401.2 MPa, 分別增加了38.3%和45.3%。根據(jù)晶粒細(xì)化強(qiáng)化理論，進(jìn)行ECAP大塑性變形后，晶界上有大量的位錯(cuò)堆積?；诰Ы鐚ξ诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，晶粒尺寸越細(xì)，單位體積內(nèi)含有的晶界越多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越困難，從而使材料的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到提高。隨著塑性變形程度的增加，晶粒細(xì)化效果趨于飽和，因此，極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的提高也相應(yīng)趨于飽和。與極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的提高相比，1道次后試樣的斷裂伸長率從18.4%降至15.1%，4道次時(shí)斷裂伸長率最低，為12.9%。這可能是因?yàn)橄鄬τ跀D壓前樣品，4道次擠壓后的樣品晶粒細(xì)化且晶界增多，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有很強(qiáng)的阻礙作用，組織內(nèi)的畸變能升高，使晶粒變形困難，導(dǎo)致ECAP 4道次后樣品的塑性較差。隨著應(yīng)變量的增加，部分位錯(cuò)塞積得到釋放得以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；8道次變形時(shí)，出現(xiàn)大量滑移帶和孿晶，晶界取向差進(jìn)一步增大，大角度晶界形成，有利于晶界滑移，斷裂伸長率又逐漸恢復(fù)至14.4%。

圖4 不同擠壓道次后商業(yè)純銅的真應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為4道次和8道次擠壓后商業(yè)純銅的應(yīng)力-壽命(S-N)曲線.

圖5 不同擠壓道次后商業(yè)純銅的 S-N曲線

由圖5可以看出，隨著應(yīng)力幅值的減小，室溫下斷裂時(shí)循環(huán)次數(shù)Nf不斷增加。在相同應(yīng)力幅值下，4道次擠壓后樣品的Nf明顯大于8道次擠壓后樣品的Nf。當(dāng)應(yīng)力幅值為120，150，180，200 MPa時(shí)，4道次和8道次擠壓后樣品的Nf分別為5.55×106，2.33×106，1.32×106，1.11×106和4.91×106，1.10×105，4.54×105，3.28×105，均明顯大于105，屬于高周期疲勞。相對于4道次擠壓樣品，8道次擠壓樣品的疲勞強(qiáng)度下降，與文獻(xiàn)[16]的結(jié)論一致。

圖6為4道次和8道次擠壓后樣品的斷口形貌圖，可以看到，斷裂面在循環(huán)應(yīng)變載荷下均出現(xiàn)明顯的剪切帶，經(jīng)4道次擠壓后，樣品斷裂面的剪切帶分布更均勻。對比圖6(c)和圖(d)可以發(fā)現(xiàn)，4道次擠壓后樣品的斷裂機(jī)制與8道次的斷裂機(jī)制不同。4道次擠壓后樣品的斷口形貌由許多小凹坑組成，低倍觀察呈纖維狀，高倍觀察呈蜂窩狀，這是韌窩斷裂的典型特征，屬于韌性斷裂。8道次擠壓后樣品的斷口形貌由許多微裂紋組成，低倍觀察呈纖維狀，高倍觀察成河流狀，類似于體心立方和面心立方金屬的解理斷裂。8道次擠壓后樣品的斷裂機(jī)制介于脆性和韌性斷裂之間，脆性斷裂起主要作用。4道次擠壓后樣品隨著裂紋區(qū)域逐漸擴(kuò)大，微孔之間不斷匯聚，融合，最終形成一條主裂紋，并沿最大剪應(yīng)力面逐步擴(kuò)展，如圖6(e)所示。

圖6 不同擠壓道次后商業(yè)純銅的斷口形貌

2.3 阻尼性能

DMA能夠直接得到阻尼損耗因子(tanφ)與溫度(T)的關(guān)系。根據(jù)DMA測試，用tanφ-T曲線下的面積表示阻尼性能。面積越大，阻尼能力越強(qiáng)。通常從內(nèi)耗峰的高度(tanφ值的大小)來評價(jià)阻尼性能[17]。

圖7是不同頻率下4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗峰值tanφ隨溫度變化的曲線?？梢钥闯?，在非常低的溫度(-140 至-60 ℃)下，4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗峰值變化幅度較小，說明在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，溫度對樣品的阻尼性能影響較小。當(dāng)溫度高于-60 ℃時(shí)，4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗峰值隨溫度的升高而迅速上升，隨著試驗(yàn)頻率的增加而減小。材料內(nèi)部的內(nèi)耗源在某一頻率振動(dòng)時(shí)，若位錯(cuò)振動(dòng)的角頻率與馳豫時(shí)間乘積為1時(shí)(ωτ=1)，阻尼溫度譜上就會出現(xiàn)明顯的阻尼峰。8道次擠壓后樣品的位錯(cuò)密度遠(yuǎn)高于4道次，測試溫度為200 ℃時(shí)，8道次擠壓后樣品的位錯(cuò)振動(dòng)角頻率與馳豫時(shí)間乘積等于1。因此，8道次擠壓后樣品在200 ℃時(shí)出現(xiàn)最大內(nèi)耗峰值(圖7(c))。相同溫度相同頻率下，8道次擠壓后樣品的阻尼性能高于4道次的阻尼性能。

金屬材料的阻尼機(jī)制歸因于熱彈性阻尼和缺陷阻尼。根據(jù)Zener熱彈性理論[5]，只要頻率小于Zener弛豫頻率，熱彈性阻尼就會隨著頻率的增加而增加。但測量所得的阻尼都隨著測試頻率 (小于Zener頻率)的增加而降低。因此，ECAP純銅的阻尼不是熱彈性阻尼。缺陷阻尼是ECAP純銅總體阻尼的主要組成部分，其中位錯(cuò)阻尼和晶界阻尼對金屬材料阻尼起主導(dǎo)作用。位錯(cuò)阻尼通過振動(dòng)位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)提高阻尼性能，根據(jù)Granato-Liicke位錯(cuò)理論，材料的內(nèi)耗值與存在的位錯(cuò)密度成正比[18]。

由圖3可以看出，8道次擠壓后樣品的位錯(cuò)密度高，晶粒尺寸小，這就是8道次擠壓后樣品的阻尼性能高于4道次的原因。ECAP 樣品隨著擠壓道次的增加，位錯(cuò)密度和晶界區(qū)域均增加，因此，EACP純銅的阻尼性能增加。

圖7 ECAP Cu的tanφ-T曲線

內(nèi)耗可反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)變化，不同類型的晶界內(nèi)耗活化能有明顯差別。4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗活化能不同，說明純銅經(jīng)不同道次ECAP變形的晶界結(jié)構(gòu)類型不同，經(jīng)4道次擠壓的樣品為小角度晶界，而經(jīng)8道次擠壓的樣品為大角度晶界。

通過分析振動(dòng)頻率與試驗(yàn)溫度之間的定量關(guān)系，可以得到4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗的活化能，即

H=R[ln(f2/f1)]/[1/T1-1/T2]

(1)

式中：H是內(nèi)耗活化能；R是通用氣體常數(shù)；f是測量頻率；T是內(nèi)耗峰值的溫度。使用Arrhenius擬合Inf與測試溫度的倒數(shù)，結(jié)果如圖8所示，可以看到，4道次和8道次擠壓后樣品的內(nèi)耗活化能分別為0.65和1.11 eV，高于文獻(xiàn)[19]的0.3 eV。DMA結(jié)果表明，純銅的阻尼性能隨擠壓道次的增加而提高。

圖8 不同擠壓道次純銅的Arrhenius線性擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 純銅晶粒細(xì)化程度隨ECAP道次的增加而增加，8道次后達(dá)到飽和狀態(tài)。8道次后樣品的抗拉強(qiáng)度從297.0 MPa增加到410.7 MPa，屈服強(qiáng)度由276 MPa增加到401.2 MPa；而4道次后樣品的伸長率由原始的18.4%降低到12.9%，8道次后恢復(fù)到14.4%。

2) 與4道次擠壓樣品相比，8道次擠壓樣品的疲勞強(qiáng)度下降，分別為109和102 MPa。4道次擠壓樣品的斷裂機(jī)制為韌性斷裂，而8道次擠壓樣品的斷裂機(jī)制介于脆性斷裂和韌性斷裂之間，脆性斷裂起主導(dǎo)作用。

3) ECAP 純銅的阻尼性能與位錯(cuò)和晶界有關(guān)，隨著擠壓道次的增加而提高，4道次和8道次后樣品的內(nèi)耗能分別為0.65，1.11 eV。