Cu-35.8%Zn黄铜经旋转锻造及后续退火的力学性能优化

《Materials》：Optimization of Mechanical Characteristics of Cu-35.8%Zn Brass by Rotary Swaging and Subsequent Annealing

　　

研究了室温旋转锻造（RS）及随后350 °C退火对Cu–35.8%Zn双相黄铜显微组织、力学性能和疲劳强度的影响。RS后形成了沿变形方向拉长的α相和β′相晶粒组织。研究还表明，在α相晶粒内部形成了尺寸为200–300 nm的亚晶粒、宽度为100–200 nm的剪切带以及宽度为10–30 nm的变形孪晶。RS使屈服强度（YS）从93 ± 4 MPa提高至717 ± 6 MPa，抗拉强度（UTS）从332 ± 2 MPa提高至744 ± 19 MPa，同时塑性（El）从71.0 ± 2.0%降低至10.3 ± 1.7%。RS后疲劳极限也从240 MPa提高至415 MPa。随后在350 °C退火诱导了α相的再结晶，形成了尺寸为2.2–3.6 μm的等轴晶粒，导致UTS降低至462–466 MPa，塑性提高至44–45%。将退火时间延长至4 h对合金的强度和塑性值没有影响。

论文解读：Cu-35.8%Zn双相黄铜经旋转锻造及后续退火的力学性能优化研究

一、研究背景与意义

黄铜是以锌为主要合金元素的铜基二元或多元合金，凭借其高热导率和电导率、良好的耐腐蚀性能、优异的加工性能以及合理的成本，被广泛应用于机械工程、造船、汽车、电气工程、建筑和消费品制造等现代工业领域。然而，随着技术发展对材料可靠性、耐久性和轻量化结构提出越来越高的要求，黄铜材料在强度、塑性和疲劳耐久性方面面临更为严格的标准。传统加工方法如铸造、热挤压和常规轧制逐渐接近其性能极限，这促使研究者探索新的变形加工途径，以在不恶化使用性能的前提下改善黄铜的力学特性。

根据相组成，黄铜可分为α黄铜、α+β黄铜和β黄铜三类。α相为锌在铜中的固溶体，具有面心立方（FCC）晶格，表现出高塑性，即使在室温下也易于变形；β相基于CuZn化合物，具有体心立方（BCC）晶格，在室温下转变为有序的β′相，相对较脆。因此，在低温变形时，变形主要发生在塑性较好的α相中，主要机制包括位错蠕变、变形孪晶和剪切带形成。

在众多变形加工方法中，旋转锻造（RS）近年来受到越来越多的关注。RS是一种通过径向布置的锤头对工件（棒材、管材或线材）进行高频往复冲击、逐步减小截面的加工技术。与传统拉拔或轧制相比，RS具有独特优势：工件在旋转锻造过程中承受局部、多次、多方向的高速加载，有利于激活更多滑移和孪晶系统，实现更有效的晶粒细化；RS不仅能实现显著的晶粒细化，还能精确控制成品形状和尺寸，适合工业生产；RS易于规模化量产，相比许多实验室尺度的剧烈塑性变形（SPD）技术具有明显优势。

已有研究表明RS可有效提高铜及铜合金的性能，但对双相黄铜而言，RS及后续加热对显微组织与力学性能之间关系的具体影响机制仍研究不足。因此，本研究系统研究了旋转锻造对双相Cu–35.8%Zn黄铜显微组织演变和力学性能的影响，旨在为优化双相黄铜及类似α黄铜的加工工艺提供理论基础，并为进一步提升铜合金的性能组合开辟新前景。该论文发表在《Materials》期刊。

二、主要关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：通过感应熔炼制备含约35.8 wt.% Zn的α+β黄铜，铸锭经630 °C热挤压至直径20 mm，随后在850 °C退火2 h并水淬；利用波长色散X射线荧光光谱仪（BRUKER S8 Tiger）进行元素成分定量分析；在室温下使用旋转锻造机RKM 2129.02进行变形处理，最终直径从19 mm减至6 mm，对应应变量ε = 2.31；采用光学显微镜（ADF I350）和透射电子显微镜（JEM-2100，200 kV）进行显微组织表征；使用自动显微硬度计（402MVD Instron Wolpert Wilson Instruments）和布氏硬度计（IT 5010-01）进行硬度测试；利用Instron 3382试验机进行室温单轴拉伸试验；采用Instron Electropuls E3000试验机进行疲劳强度测试（10⁷次循环，频率30 Hz，应力比R = 0.1）。

三、研究结果

3.1 显微组织演变

淬火态合金呈双相结构，由不规则形状的α相晶粒（平均尺寸41 ± 5 μm）和包围其周围的薄层β′相（宽度12 ± 1 μm，体积分数约15.3%）组成。RS后，合金组织沿变形方向拉长，形成长达数百微米的拉长晶粒，α相晶粒平均宽度为23 ± 2 μm，β′相宽度为4 ± 1 μm，β′相体积分数略微降低至约11.4%。TEM分析显示，在拉长的α相晶粒内部形成了超细晶（UFG）结构，包括尺寸约200–300 nm的细亚晶粒区、宽度100–200 nm且长达数微米的剪切带，以及宽度10–30 nm的变形孪晶。

3.2 硬度变化

显微硬度测试表明，RS后合金显微硬度从淬火态的91 ± 8 HV显著提高至229 ± 4 HV（截面平均值）。从工件中心到边缘的显微硬度值差异不大，最小值为中心的222 ± 2 HV，最大值为边缘的234 ± 3 HV。退火研究表明，在350、425和470 °C加热30 min均导致硬度显著下降，温度越高硬度下降越剧烈。RS后合金硬度为205 ± 9 HB，加热30 min后分别降至122 ± 1 HB（350 °C）、108 ± 1 HB（425 °C）和94 ± 0.5 HB（470 °C）。延长加热至4 h，425 °C和470 °C下硬度进一步略微降低至93 ± 3 HB和78 ± 4 HB，而350 °C下4 h后硬度值（119 ± 4 HB）与30 min相比无明显变化。

3.3 退火后显微组织

光学显微镜和TEM分析表明，RS后经350 °C退火30 min，在拉长的α相内部形成了尺寸为2.2 ± 0.3 μm的等轴再结晶晶粒；退火4 h后晶粒长大至3.6 ± 0.1 μm。TEM观察确认了再结晶的发生，退火30 min后结构中出现尺寸500 nm至2.5 μm的独立再结晶晶粒以及宽度100–500 nm的孪晶；延长至4 h后再结晶更加完全，晶粒尺寸约1–3.5 μm。退火时间对β′相宽度影响不大，两种条件下均为3–5 μm。TEM-EDS分析确认再结晶发生在α相晶粒内部。

3.4 力学性能

淬火态合金屈服强度为93 ± 4 MPa，抗拉强度为332 ± 2 MPa，延伸率为71 ± 2%。RS后屈服强度和抗拉强度分别提高至717 ± 6 MPa和744 ± 19 MPa，但延伸率大幅降低至10.3 ± 1.7%。后续350 °C退火使屈服强度降低一半以上（至278–292 MPa），抗拉强度降低35–40%（至462–466 MPa），同时塑性提高近四倍，达到约44–45%。退火30 min和4 h后的力学性能在误差范围内基本一致。

3.5 疲劳强度

疲劳测试（10⁷次循环，R = 0.1）表明，RS显著提高了合金的疲劳强度。淬火态合金的疲劳极限为240 MPa，RS后提高至415 MPa，提高了约73%。

四、讨论与结论

4.1 强化机制分析

RS后合金的显著强化是多种机制叠加作用的结果：晶界强化（Hall–Petch效应）方面，α相中形成200–300 nm的亚晶粒，若取双相黄铜的Hall–Petch系数约14 MPa × mm^1/2，晶粒从41 μm细化至约0.25 μm可使屈服强度提高约800 MPa，但该估算值因组织不均匀而偏高；应变强化方面，RS过程中累积的高位错密度显著提高了流变应力，室温下未发生明显的动态回复；孪晶强化方面，10–30 nm宽的纳米孪晶界如同大角度晶界一样阻碍位错滑移，其高密度导致额外强化；弥散强化方面，合金元素在α相和β′相之间的再分配以及晶界可能的锌富集可形成额外的位错运动障碍。

4.2 疲劳性能提升机制

RS后疲劳极限的提高主要与晶粒细化有关：大量晶界和亚晶界阻碍了疲劳裂纹的萌生和扩展。此外，RS过程中样品表面产生压残余应力，对疲劳抗力有积极影响。纳米孪晶的形成也起重要作用，它们在循环加载下作为位错运动的有效屏障，减缓损伤累积。在双相（α+β）黄铜中，疲劳裂纹通常在较软的α相中萌生，RS工艺通过在软α相中形成超细晶结构、纳米孪晶和剪切带实现显著强化，因此疲劳强度得以提高。

4.3 退火软化机制

350 °C退火引起α相再结晶，形成2–3 μm的等轴晶粒。由于RS后α相中累积了大量应变，众多位错、亚晶界和孪晶作为新晶粒的有效形核点，再结晶即使在较低温度下也以高速率进行。退火时间从30 min延长至4 h力学性能无明显变化，表明30 min时再结晶已部分完成，后续晶粒长大较为缓慢。值得注意的是，β′相在退火后宽度基本不变（3–5 μm），体积分数也未恢复至初始的15.3%，表明350 °C下β′相未发生逆相变或明显长大，这归因于β′相中锌和铜的扩散再分布需要更高温度或更长保温时间。退火后组织中硬质β′层保持拉长形态，加上细小的再结晶α晶粒（2–3 μm）和孪晶的存在，使得退火后屈服强度（约280 MPa）和抗拉强度（约460 MPa）仍明显高于初始淬火态。

4.4 研究结论

本研究不仅揭示了双相黄铜在旋转锻造及后续退火过程中组织和性能形成的主要规律，也为开发确保所需使用性能组合的优化加工工艺奠定了基础。所提出的“旋转锻造+350 °C退火”工艺能够生产具有高塑性（约45%）和增强强度（约460 MPa）独特组合的双相黄铜，有望用于汽车、管道和电气工程领域承受动态和循环载荷的关键部件制造，且该技术易于工业化推广。