深冷处理对黄铜组织与力学性能的影响

　　黄铜具有较高的强度及优良耐热性和耐蚀等性能，已在机械、电器和仪表等领域中得到了广泛的应用。随着现代工业的迅速发展，对黄铜的导电性、强韧性、耐腐蚀性及耐磨性提出更高的要求。已有资料表明[1-5]，深冷处理能提高金属材料的力学性能、稳定尺寸和减小变形，这些研究主要集中在深冷处理应用在钢铁方面，关于深冷处理对有色金属的组织和性能的影响处于研究初期阶段[6-10]，尤其对金属材料的作用机理问题还存在诸多争议。现在深冷处理对铜及铜合金影响的研究主要集中在导电性上，研究表明，深冷处理能够提高Cu-Ni-Sn系铜合金的强度和导电性。滕杰[7]和Wang Ping等[10]则发现深冷处理能细化铜合金的组织，但铜合金经深冷处理的力学性能尤其是微观力学性能影响需要进一步研究。

　　硬度和弹性模量是金属材料重要的力学性能指标，纳米压痕技术是近几年发展起来测量材料硬度和弹性模量的重要手段[11-12]，与传统的显微硬度测试法不同，纳米压痕法不存在由于人为的观察压痕面积或对角线的数值而造成的主观误差，能真实地反映出材料本身的力学性能特性，但采用纳米压痕法来研究铜合金的力学性能的报道较少。本文采用纳米压痕仪测试经深冷处理前后黄铜的微观力学性能，以期进一步理解深冷处理对铜合金的作用机理。

　　1 试验材料与方法

　　试验材料为铸态黄铜，其化学成分如表1所示，试样尺寸为Φ10mm×5mm。将样品在KLX-12B型箱式电阻炉中加热到700℃保温15min后浸入液氮中(-196℃)，并在液氮中停留30min。

　　用Triboindenter型纳米力学测试系统测定经深冷处理前后黄铜的硬度、弹性模量和硬弹比(H/E)，选用 Berkovich压头，压头曲率半径为150nm，系统的载荷分辨率为10μN，位移分辨率为0.04nm。施加最大载荷为1000μN，加载和卸载速率为100μN/s，在最大载荷处持续时间为10s。另外，通过对材料表面某一点连续加载，且加载到一定载荷时保持1s，以获得随压入深度连续变化的材料硬度和弹性模量值。

　　用Conical压头进行纳米划痕实验以测试合金的摩擦系数，压头曲率半径为2μm，压头载荷为1000μN，横向移动速度为0.33μm/s。以上各试验数据取3次试验结果的平均值。并借助Axiovert200MAT型金相显微镜S-4800型扫描电镜(SEM/EDS)和JEM-2010透射电镜(TEM)对试样组织进行分析。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 显微组织

　　图1为黄铜经深冷处理前后的显微组织。可以看出，深冷处理前后黄铜的组织是(α+β)双相组织，其中 α 相是Zn在Cu中的固溶体，β相是CuZn为基的固溶体。深冷处理前黄铜的组织较粗大，深冷处理后黄铜组织中出现细小的白色条状和粒状α相，β相含量增多，组织也明显细化。这是由于液氮作为冷却介质，冷速较大，析出过程进行不充分，致使α相具有较大饱和度。由Cu-Zn二元合金状态图可知，在-196℃时，Zn在α固溶体中的平衡浓度小于室温下Zn在α固溶体中的平衡浓度。因此，冷到-196℃时的α相相对于室温下α相的过饱和度更大，更处于热力学不稳定状态，在温度回升过程中，β相从α相中析出，造成组织β相相对含量增加，组织也得到细化。经TEM观察发现，经深冷处理后黄铜组织中位错数量增多，见图2。