Cu合金應(yīng)力分析VIP

1、鉛鋅白銅棒材殘余應(yīng)力沿截面分布的X光測(cè)定方法王寧 王超群北京有色金屬研究總院 北京100088摘要采用X光應(yīng)力測(cè)試方法，配合金相顯微鏡觀察和電子顯微探針X-線分析，研究了鉛鋅白銅棒在冷加工過(guò)程中縱向開(kāi)裂的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明：合金基體相與較粗大的游離態(tài)鉛共存時(shí)，只有在拉應(yīng)力作用下才發(fā)生縱向開(kāi)裂。在同樣的組織條件下，改變冷加工方式，即用鏇鑄代替拉伸，使棒材加工后所承受的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，即可避免縱向開(kāi)裂的發(fā)生。反之，必須使材料組織中的鉛質(zhì)點(diǎn)足夠細(xì)小，才能承受拉應(yīng)力作用而不致開(kāi)裂。文中側(cè)重介紹棒材沿截面分布的殘余應(yīng)力的X光測(cè)定方法。引言鋅白銅在國(guó)際上通稱為德銀，該合金兼?zhèn)溆辛己玫奈锢怼⒘W(xué)性能及抗腐

2、蝕性能，因而在電子工業(yè)，精密儀表和醫(yī)療器械等方法都有著極其廣泛的用途。為了提高材料的切削加工性，合金中往往添加1-2%的鉛。在單相鋅白銅中，鉛呈游離態(tài)存在，這就使合金的加工性能變壞。國(guó)際上沿用冷加工開(kāi)坯，冷拉伸成材。由于受材料冷加工性能的限制。中間需要穿插極為繁瑣的退火周期。退火時(shí)又往往伴隨著縱向開(kāi)裂的發(fā)生。不僅工藝周期長(zhǎng)，而且成品率極低。為尋求多快好省的工藝制度，我們采用熱擠壓坯，以擠壓棒作為冷加工毛坯；或以拉鑄成材，再用拉鑄棒作為冷加工毛坯，在探索新工藝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了以下現(xiàn)象：1.將成為為Cu-12Ni-25Zn-1.8Pb的20mm擠壓棒材酸洗或剝?nèi)パ趸ず?，?jīng)多道次拉伸，從19.614.

3、5計(jì)算其截面收縮率為45%兩小時(shí)后顯微鏡下（100×）即可觀察到縱向裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。從橫截面看，裂紋從外圓向中心發(fā)展，從外圓看裂紋筆直地沿軸向延伸。24小時(shí)后，肉眼可以觀察到裂紋，再延續(xù)室溫放置一周后，整個(gè)斷裂面幾乎對(duì)半裂開(kāi)。2.經(jīng)上述冷拉伸的棒材隨即在250-350下進(jìn)行消除應(yīng)力退火，再在650再結(jié)晶退火，縱向開(kāi)裂仍發(fā)生，甚至在熱應(yīng)力作用下更為嚴(yán)重。3.將19.4mm的擠壓棒鏇鍛至15.3mm，總加工率為38%，室溫?cái)R置或退火均無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。4.將20mm的水平拉鑄棒材多道次拉伸至15mm后，截面收縮率為44%，室溫?cái)R置或中間退火均未發(fā)現(xiàn)裂紋的發(fā)生。5.用20mm的拉鑄棒，大加

4、工率（截面收縮率為47.5%）發(fā)現(xiàn)棒材中心開(kāi)裂。從以上現(xiàn)象，可以看出研究拉伸和鏇鍛兩種冷加工方式的殘余應(yīng)力并探討棒材開(kāi)裂的原因，對(duì)尋找更合理加工工藝提供理論依據(jù)是很有意義的。一、 試樣的制備中頻感應(yīng)爐空氣熔煉，熔制Cu-12Ni-25Zn-1.8Pb合金。1.將100mm的鑄錠，在800下熱擠壓成20mm的棒材，車去表面氧化皮獲得18.8mm的光潔毛坯，然后進(jìn)行拉伸或鏇鍛兩種冷加工方式，工序流程如下：18.81716.115.314.518.818.317.21615每道次拉伸或鏇鍛以后切取60-70mm長(zhǎng)的試樣，經(jīng)汽油及酒精清洗后，表面光潔，直接用X光測(cè)定表面軸向及切向應(yīng)力。2. 15.5m

5、m的再結(jié)晶退火棒材12.6mm，然后用慢速小切屑量車成不同直徑的細(xì)小棒材。試樣長(zhǎng)度平均為80-60mm，然后用磷酸水溶液進(jìn)行電拋光H3PO4：H2O=7：3（體積比）電壓2V，電流密度0.1A/cm2,拋去0.15-0.2mm，以消除機(jī)加工應(yīng)力。用X光測(cè)定不同直徑細(xì)棒表面軸向切向應(yīng)力，最后獲得應(yīng)力沿截面分布曲線。3.將經(jīng)過(guò)表面清洗的擠壓棒19.6mm多道拉伸至17mm，截面收縮率24.5%，在室溫放置一天后，發(fā)現(xiàn)棒材靠末端最先出現(xiàn)裂紋，切取端部的橫截面制備金相磨片，進(jìn)行金相和電子探針?lè)治?、2。二、X射線應(yīng)力測(cè)試原理及方法采用剝層法由X光測(cè)定其剝層表面軸向、切向殘余應(yīng)力，再推算出殘余應(yīng)力沿截面

6、的分布。中空?qǐng)A筒剝層修正公式3、4：若圓筒的外半徑為b，內(nèi)半徑為a（圖1），在半徑為r處的軸向、切向、徑向殘余應(yīng)力分別為z、t、r。當(dāng)剝到r層時(shí)，半徑r表面X光測(cè)定的軸向、切向殘余應(yīng)力為zx·tx。剝?nèi)ズ蟮臍堄鄳?yīng)力必將作用在剩下的部分，這個(gè)殘余應(yīng)力叫做附加應(yīng)力，用ztr表示。 (1)由于 （2）將（2）對(duì)r微分，整理后得 （3）從r到b積分，而 （4）從半徑b剝到r時(shí)，r（r）將作為附加應(yīng)力作用于余留部分。根據(jù)圓筒的Lame公式 （5）X光測(cè)量的切應(yīng)力tx應(yīng)為 （6）另外，t和r滿足平衡方程： （7）從（5）、（6）、（7）可以推出 （8）用除以兩邊，從r到b積分，由于r（b）=0

7、（9）（9）代入（7） （10）對(duì)于棒材a=0（4）（9）（10）即為 （11） （12） （13）我們按照（11）-（13）計(jì)算應(yīng)力沿截面分布，積分項(xiàng)采用zx取中值提出積分號(hào)，然后對(duì)r求積分。即 （14）實(shí)驗(yàn)條件如下：Cu靶，40KV，30mA，掃描速度2度/分，紙速20mm/分，Sc計(jì)算記錄強(qiáng)度，發(fā)射光闌1mm長(zhǎng)，不加接收光闌，X射線波動(dòng)引起的誤差，經(jīng)計(jì)算為2-3Kg/mm2 。 三、 試驗(yàn)結(jié)果及討論X光應(yīng)力測(cè)定所得殘余應(yīng)力與冷加工方式及形變量的關(guān)系，如圖2、3所示。鏇鍛棒材截面應(yīng)力分布曲線如圖4所示。結(jié)果表明，經(jīng)20%以上拉伸的棒材切向、軸向?yàn)槔瓚?yīng)力，而鏇鍛加工，棒材切向、軸向?yàn)閴簯?yīng)力，

8、這個(gè)結(jié)果與材料拉伸和鏇鍛過(guò)程塑性變形狀態(tài)有區(qū)別，而造成不同方向的殘余應(yīng)力相一致。在拉伸過(guò)程中，棒材截面塑性變形不均勻，尤其在截面收縮率較大的情況下，棒材外圓和拉伸模壁相接觸的部分首先被屈服，相對(duì)于中心產(chǎn)生較大的塑性變形。這樣在拉拔結(jié)束后，彈性恢復(fù)時(shí)，外圓要產(chǎn)生切向和軸向的拉應(yīng)力，內(nèi)心則受到壓應(yīng)力。同時(shí)，在拉伸過(guò)程中合金的塑性流變沿軸向近乎筆直地延伸，擠壓棒組織中原有三角晶界處顆粒鉛質(zhì)點(diǎn)，沿軸向伸長(zhǎng)，擠壓流線得不到破壞。這就造成棒材徑向強(qiáng)度不如軸向。拉伸時(shí)，由于摩擦生熱致使表面游離態(tài)鉛幾乎處在熔斷狀態(tài)，外加的力一旦釋放殘余拉應(yīng)力隨即產(chǎn)生，切向拉應(yīng)力首先使表面軸向拉長(zhǎng)的鉛開(kāi)裂，裂紋隨擠壓及形變流線

9、得到擴(kuò)展。這樣，低溫退火已經(jīng)來(lái)不及阻止裂紋的發(fā)展。在鏇轉(zhuǎn)鑄造時(shí)，棒材周圍由多錘頭沿其徑向?qū)?zhǔn)棒材軸線進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)棒材軸線進(jìn)行對(duì)稱性有節(jié)奏的鍛打。每次變形量較小，金屬變形時(shí)處在三向壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬流變是螺旋式延伸，這樣鉛分布不是沿軸向簡(jiǎn)單地伸長(zhǎng)，擠壓流線也得到了破壞，棒材截面變形，中心部分略大于外圓，鏇鍛結(jié)束產(chǎn)生彈性恢復(fù)時(shí)，棒材表面則表現(xiàn)出軸向及切向壓應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)不致產(chǎn)生裂紋。用拉鑄作為冷拉伸毛坯時(shí)，冷拉后產(chǎn)生軸向及切向拉應(yīng)力，但由于該毛坯存在的兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：一是水冷結(jié)晶器的快速冷卻凝固下，鉛質(zhì)點(diǎn)細(xì)小彌散，沒(méi)有沿三角晶界的粗大鉛質(zhì)點(diǎn)，不太容易成為裂紋的起源。二是不存在如同擠壓流線的低強(qiáng)度缺陷，因而

10、不具備造成裂紋迅速擴(kuò)展的條件。但是如鏇鍛冷加工量過(guò)大（如47.5%）且鑄錠組織存在粗大的柱狀晶時(shí)，則會(huì)發(fā)生中心開(kāi)裂，這與鏇鍛棒應(yīng)力截面分布其內(nèi)部存在拉應(yīng)力的結(jié)果相符（圖4）。四、 結(jié)論1. 棒材表面應(yīng)力的X光測(cè)定結(jié)果與材料產(chǎn)生裂紋的狀態(tài)相一致，平行光束、固定法測(cè)定棒材殘余應(yīng)力的方法基本可靠。2. 擠壓棒材由于存在粗大鉛質(zhì)點(diǎn)及縱向擠壓流線。在拉伸條件下，由于殘余拉應(yīng)力的作用，極易造成縱向裂紋，此時(shí)只有采取鏇鍛工藝，改變殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，才能避免裂紋的產(chǎn)生，反之，只有改變冷加工毛坯組織中的鉛質(zhì)點(diǎn)，使之足夠細(xì)小，才能承受拉應(yīng)力作用而不致開(kāi)裂。3. 根據(jù)殘余應(yīng)力的作用，改進(jìn)毛坯及冷加工方式，從而允許加大冷加工度，使原有的15-20邊加工退火周期縮短為2邊。4. 有關(guān)開(kāi)裂機(jī)理的研究，有待于今后繼續(xù)作認(rèn)真細(xì)致的定量分析工作。 參考文獻(xiàn)（1） Microstructural Science 1976 Proceeding of the 9th Annual Techanical meeting of the Internation