《Journal of Alloys and Compounds》：Y microalloying enhances the hot workability of a Cu-Ni-Sn-Ti-Cr alloy by tailoring precipitation, recrystallization and texture evolution
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摘要制备了Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金，并利用Gleeble-1500模拟设备研究了其热变形行为。实验条件为500-900°C变形温度和0.001-10 s-1应变速率。建立了两种合金的本构方程，并计算出Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu
摘要
制备了Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金，并利用Gleeble-1500模拟设备研究了其热变形行为。实验条件为500-900°C变形温度和0.001-10 s-1应变速率。建立了两种合金的本构方程，并计算出Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的激活能分别为404.15 kJ/mol和497.03 kJ/mol。通过电子背散射衍射分析，在0.01 s-1应变速率和700°C或800°C下变形的Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金的主要织构为{001}<100>立方织构和{112}<110>铜织构。在相同热变形条件下，Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的主要织构为{112}<111>铜织构和{011}<100>Goss织构。透射电子显微镜分析表明，两种合金的析出物主要为CuNi2Ti、CuNi2Sn和NiTi相。Y的添加促进了动态再结晶，表现为大角度晶界比例增加和几何必需位错密度降低。析出引起的位错积累与动态回复/再结晶引起的软化之间的竞争共同控制了热变形行为。通过热加工图获得了Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的最佳热加工参数。向Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金中微加Y提高了其热加工稳定性。
引言
Cu-Ni-Sn合金是重要的时效硬化弹性铜合金，因其具有强度、电导率、耐腐蚀性和耐磨性的良好组合，被认为是有毒Cu-Be合金在弹性导电部件中的有前景的替代品[1], [2], [3]。其强化行为主要与热处理和热机械加工过程中溶质再分布、旋节分解、有序化反应和析出有关[4], [5], [6]。然而，Cu-Ni-Sn合金的强度和热稳定性对溶质偏析、不连续析出和微观结构演化高度敏感，且这些效应在高温变形过程中变得更加显著。在热变形过程中，析出、加工硬化、动态回复和动态再结晶同时发生并相互作用，从而直接影响合金的流动应力、变形稳定性、织构演化和最终微观结构[7], [8], [9]。因此，需要进一步通过合金化调控来提高Cu-Ni-Sn基合金的微观结构稳定性和热加工性能。添加Ti和Cr提供了调控析出行为、细化微观结构和增强Cu基体稳定性的有效途径[10], [11]。同时，稀土微合金化可以改变铜合金中析出物的分布、晶界行为和再结晶特性[12]。因此，有必要阐明Cu-Ni-Sn-Ti-Cr基合金的热变形行为，并评估Y微添加在调控其微观结构演化和热加工性能方面的作用。
近年来，关于Cu-Ni-Sn基合金的研究逐渐从传统时效处理转向热机械加工和热变形，因为变形参数强烈影响流动应力、动态软化行为、析出和最终微观结构。Zhao等人研究了Si和Ti对Cu-15Ni-8Sn合金热变形过程中动态再结晶行为的影响，发现Ni16Si7Ti6颗粒的形成促进了动态再结晶形核并改善了合金的强度-塑性平衡[13]。Song等人研究了Cu-9Ni-6Sn-0.04Cr合金的热变形和动态再结晶行为，表明含Cr的Cu-Ni-Sn合金的流动应力和再结晶行为强烈依赖于变形温度和应变速率[14]。Zhang等人基于热压缩实验建立了Cu-Ni-Sn-Mn-Zn合金的本构模型和加工图，证明了热变形响应与加工硬化和动态软化之间的竞争密切相关[15]。这些研究表明，热变形不仅是Cu-Ni-Sn基合金的成型过程，也是调控再结晶行为、织构演化和微观结构稳定性的重要方法。
除变形参数外，微合金化是控制Cu-Ni-Sn基合金热变形行为的另一个关键因素。Xu等人报道了Y的添加影响Cu-Sn-Ni-Zn-Ti合金的微观结构和热变形行为，表明稀土元素可以参与热加工过程中动态软化和析出的调控[16]。Lu等人研究了痕量稀土Y调控的Cu-Ni-Sn合金，报道了Y的添加细化了微观结构、改变了析出物特性并改善了力学性能，进一步证实了Y在Cu-Ni-Sn基合金微观结构调控中的作用[17]。对于Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金，Tang等人研究了Cu-1Ni-0.9Sn-0.5Ti-0.3Cr合金的热变形行为和微观结构演化，揭示了热变形参数影响再结晶、织构和析出物特性[18]。在相关的Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金中，Ce微添加也被报道可改善微观结构、力学性能和电导率，进一步证实了稀土微合金化在该合金体系中的有效性[19]。从机理上看，稀土微合金化可以通过析出、位错演化和晶界迁移的耦合调控来影响热变形行为。析出物形核和分布的变化可以改变其与位错和晶界的相互作用，从而影响变形抗力和动态软化。因此，我们假设Y微合金化改变了析出引起的变形抗力与动态再结晶之间的平衡，导致Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金的晶粒细化、织构演化和热加工性能发生变化。然而，与Ce相比，Y微添加对Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金流动应力、激活能、动态再结晶、织构演化、析出物特性和热加工图的影响尚未被系统阐明[20]。因此，需要进一步研究以揭示Y如何调控Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金的热变形行为和微观结构演化。
基于以上结果，本报告中通过在Cu中添加Ni、Sn、Ti、Cr和Y元素制备了析出强化的Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金。利用Gleeble-1500D热机械变形模拟机研究了Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的热变形行为。处理了真实应力-应变曲线、本构方程、微观结构演化和加工图。利用电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和析出物分析研究了微观结构演化。本研究为Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的加工和生产提供了理论依据。此外，Ni、Sn、Ti、Cr和Y可以使Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金具有高强度，且所添加的元素对人体无毒，是一种潜在的环保型弹性导电材料，未来可应用于引线框架和铁路接触线。
章节摘要
材料与方法
许多研究者观察到，包括Y、Ce和Nd在内的痕量稀土元素可以改变铜合金的微观结构和析出物[21], [22], [23], [24]。本文研究了稀土Y微添加对Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金热变形后本构方程、热加工图、微观结构和析出相的影响。稀土Y在熔炼过程中容易燃烧损失，因此采用Cu-7%Y中间
真实应力-真实应变曲线
图2展示了在500-900°C和0.001-10 s-1应变速率下变形的Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的真实应力-应变曲线。铜合金的真实应力-应变热变形行为由加工硬化、动态回复和动态再结晶的联合作用控制[25], [26], [27]。在热变形的早期阶段，合金通过两侧挤压变形，导致晶格畸变和晶粒内位错。随着合金
Y对Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金流动应力的影响
在铜合金热变形过程中，流动应力和真实应力-应变曲线充分反映了变形机理。加工图为加工技术提供了数据参考，有助于避免实际生产过程中的废品和材料浪费。通过比较图2中Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的真实应力-应变曲线，可以看出在相同变形温度和应变速率下，Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的流动应力
结论
利用Gleeble-1500在500-900°C和0.001-10 s-1应变速率下研究了Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的热变形行为。对实验结果进行了分析，得出以下结论：
（1）Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的流动应力随温度升高而降低，随应变速率增加而升高。微加Y可以提高Cu-Ni-Sn-Ti-Cr合金的流动应力。
（2）Cu-Ni-Sn-Ti-Cr和Cu-Ni-Sn-Ti-Cr-Y合金的本构方程
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本工作得到国家自然科学基金（52575375，52374367）、江西省科技厅（20261BCE310069）和河南省重点研发计划（251111521100）的支持。
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河南科技大学材料科学与工程学院，有色金属新材料与先进加工技术协同创新中心（省部共建），中国洛阳 471023
