温度和应变率对CuNiSiCr合金力学性能及微观结构演变的影响

《Materials Research Bulletin》：Effects of temperature and strain rate on mechanical behavior and microstructure evolution of CuNiSiCr alloy

CuNiSiCr合金在0.001-8000 s?1应变率和25-500 °C温度下的力学行为及微观结构演变规律被系统研究。准静态条件下，合金在RT和300 °C时表现出优异强韧性平衡，但500 °C时出现显著软化与韧性劣化。高应变率抑制500 °C晶界损伤，提升该温度下韧性。强化机制计算与实测屈服强度吻合，显示沉淀（Orowan绕过）和位错强化主导。软化源于温度依赖剪切模量降低，变形孪晶在RT/300 °C全应变率下普遍存在，500 °C时仅在>1000 s?1应变率下激活，与层错能、晶粒尺寸及取向相关。研究结果为高温高应变率下铜合金设计提供理论支撑。

　　

杨中月|周亮|吴亚克|李白|史焕通|李行文|姜峰|卢俊勇

西安交通大学材料力学行为国家重点实验室，中国西安，710049

摘要：

本文研究了 aging 后的 Cu–2.7Ni–1.34Si–0.6Cr（按重量计）合金在 0.001–8000 s^-1 的应变率和 25–500 °C 的温度范围内的力学行为和微观结构演变。在准静态载荷下，该合金在室温和 300 °C 时表现出优异的强度-延展性平衡，但在 500 °C 时出现了严重的延展性损失，表明存在中温脆化现象。由于合金的应变率敏感性较低，高应变率引起的强化效果不明显（通过应变率跳跃试验得到证实），但高应变率通过抑制晶界损伤提高了 500 °C 时的延展性。强化机制的计算结果与测量的屈服强度一致，表明在所有温度下沉淀强化（Orowan 绕过机制）和位错硬化是主导作用。软化主要源于温度依赖的剪切模量减小。延展性分析显示，在室温和 300 °C 以及 500 °C 且应变率超过 1000 s^-1 时，变形孪晶较为普遍。这一现象可以用堆垛错能、晶粒尺寸和取向来解释，与计算出的临界孪晶应力结果一致。这些结果有助于理解铜合金在极端服役条件下的微观结构和力学响应。

引言

基于铜的合金（如 CuNiSi 及其衍生物 CuNiSiCr）因其高强度和良好的导电性而受到广泛关注[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。这些优异的性能主要来源于沉淀强化作用。细分散的 Ni₂Si 沉淀物通过阻碍位错运动和消耗溶质来净化基体[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。添加 Cr 进一步提高了合金的强度和热稳定性，同时不影响导电性[2], [7], [16], [17]。这些特性使得 CuNiSiCr 合金成为铁路接触线、电气连接器以及国防、交通和能源系统中耐热结构部件等高要求应用的理想候选材料[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]。

在实际应用中，这些部件通常会经历高温和动态载荷，其力学行为与常温下的准静态响应有显著差异[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]。高温会促进原子扩散、位错攀移、动态恢复和再结晶，从而导致软化[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]。许多铜合金（包括 CuNiSi 系列）在 300–600 °C 时会出现中温脆化（ITE），这通常归因于晶界弱化和动态应变老化[40], [41], [42], [43]。在高应变率（>10³ s^-1）下，大多数金属会表现出应变率强化效应，因为位错恢复受到抑制而位错储存加速[44], [45], [46]。在堆垛错能（SFE）相对较低的面心立方（FCC）合金中（例如孪晶诱导塑性钢和银），可以激活变形孪晶现象。这种额外的变形模式增强了应变硬化和延展性[47], [48], [49]。在铜合金中，变形孪晶最常见于堆垛错能较低的体系，如 Cu–Al 和 Cu–Zn 合金[31], [50], [51]。在极高的应变率下，变形速度可能超过热量散发速度，部分塑性功转化为热能（绝热加热），导致局部温度升高，从而引发局部软化或动态再结晶，进而促进剪切带形成和提前失效[44], [52], [53], [54]。

尽管 CuNiSiCr 合金具有诸多优点，但关于其在高温和高应变率下的拉伸行为的研究仍较为有限。特别是温度和应变率对其强度、延展性、变形机制和断裂模式的影响尚不明确。了解这些效应对于拓展 CuNiSiCr 合金在高性能应用中的适用范围至关重要。

本研究系统地考察了 aging 后的 CuNiSiCr 合金在 0.001–8000 s^-1 的应变率和从室温（RT）到 500 °C 的温度范围内的拉伸行为和微观结构演变。主要目标是评估其在不同条件下的力学响应，量化合金的应变率和温度敏感性，并确定控制其变形和断裂的机制。这些发现为设计和优化适用于极端服役环境的高强度、热稳定铜合金提供了关键见解。

材料与方法

本研究使用的合金的名义组成为 Cu–2.70Ni–1.34Si–0.60Cr（按重量计），以下简称 CuNiSiCr。该合金是通过调整 Ni/Si 比率和 Cr 含量在一系列实验中制备的，以满足对高强度、良好延展性以及热导率和电导率综合性能的要求。具体的制备细节和结果将在后续工作中详细报道。所用原材料均为高纯度材料。

力学测试前的微观结构

图 2 显示了 aging 后 CuNiSiCr 合金的微观结构。扫描电子显微镜（SEM）照片（图 2a）显示了在热轧和冷轧过程中形成的不规则、拉长的晶粒。插图显示了少量微米级的第二相颗粒，通过能量色散谱（EDS）鉴定为 Cr₃Si，这与先前的研究结果一致[55], [62], [63]。背散射电子衍射（EBSD）极图（IPF）（图 2b）进一步突出了不均匀的拉长晶粒结构。平均晶粒尺寸约为 32 ± 7 μm。

讨论

该合金专为要求兼具高强度和良好延展性的应用而开发。与其他常需牺牲延展性和导电性以提升强度的 Cu-Ni-Si 合金不同（这些合金通常需要复杂的加工工艺[3], [4], [66]），其生产工艺仅涉及简单的变形（如锻造和一定程度的轧制）以及 aging 处理即可获得所需的综合性能。这主要是由于成分和微观结构的均匀性限制了合金的变形能力[67], [68], [69]。

结论

本研究评估了 aging 后 CuNiSiCr 合金在 0.001–8000 s^-1 的应变率和室温（RT）–500 °C 范围内的拉伸行为和微观结构演变，阐明了温度和应变率对强度、延展性、断裂以及变形孪晶激活的影响机制。主要结论如下：

(1)

该合金在准静态载荷下在室温和 300 °C 时保持良好的强度-延展性平衡，但在 500 °C 时出现明显的软化、加工硬化能力丧失和严重的延展性下降

作者贡献声明

吴亚克：撰写、审稿与编辑，概念构思。周亮：方法论设计，实验实施。李白：资源协调，实验协助。李行文：撰写、审稿与编辑，实验协助。史焕通：方法论设计，概念构思。卢俊勇：项目监督，资源协调，概念构思。姜峰：撰写、审稿与编辑，项目监督，资金争取。杨中月：初稿撰写，实验实施，概念构思

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据获取

如需获取支持本研究结果的数据，可向相应作者提出合理请求。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号 92166102、52101149 和 92366301）、陕西省创新能力支持计划（项目编号 2024CX-GXPT-20）、中国博士后科学基金（项目编号 2023M742763 和 2024T170716）以及陕西省博士后研究项目的支持。同时，作者也感谢西安交通大学仪器分析中心提供的 SEM 和 TEM 测试支持。