形变时效工艺对低铍Cu-Ni-Be合金力学性能和电导率的影响

刘楚明，刘娜，曾祥亮，陈志永，李慧中，徐雷

(中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

Cu-Ni-Be合金是一种优质弹性材料，具有优良的综合力学性能和电学性能，被广泛应用于机械电子、航空航天等工业领域。近年来，为满足电子产品小型化、高密度化的要求，需要采用具有高强度、高导电性的Cu-Ni-Be合金制作各种各样的高性能元件[1-4]。然而，目前使用的Cu-Ni-Be合金绝大多数局限于高铍含量合金，因其生产成本高，价格昂贵，且对环境污染非常严重，极大地限制了其开发和应用[5-7]。因此，开发高性能、环境友好型低铍含量Cu-Ni-Be合金具有广阔的应用前景。以往研究表明形变时效处理是提高Cu-Ni-Be合金性能的一种有效方法[8-13]。本文作者拟采用正交试验方法，研究形变时效工艺对低铍含量Cu-Ni-Be合金力学性能和电导率的影响，以便为高性能低铍含量Cu-Ni-Be合金的制备提供实验和理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验合金真空熔炼及热轧开坯后，冷轧至厚度，分别为0.56，0.65，0.70，0.80和0.89 mm的板材，其实测化学成分如表1所示。可见，合金铍含量较低。

表1 试验材料的实测化学成分Table 1 Measured chemical composition of material质量分数/%

1.2 正交试验设计

本研究以 Cu-Ni-Be合金热处理工艺参数中影响较大的时效温度、时效时间和冷变形量作为正交试验的3种因素，分别标记为因素A、因素B和因素C。实验中每个因素各选取 5 个水平，其中：A1～A5分别为440，455，470，480和490 ℃；B1～B5分别为60，90，120，150和180 min；C1～C5分别为 10.7%，23.1%，28.6%，37.5%和 43.8%。选用正交表 L25(56)进行试验[14-16]，结果如表2所示。

1.3 试验方法及设备

固溶处理在箱式电炉中进行，加热至温度920 ℃保温45 min；冷轧在双辊精轧机上进行，合金全部轧至厚度为0.5 mm；时效处理在箱式电阻炉中进行；拉伸试验在CSS-44100电子万能试验机上进行；相对电导率在单双臂两用电桥上进行测量；合金的拉伸断口形貌观察在Sirion 200场发射扫描电镜上进行；时效析出物的观察在 Neophot-Ⅱ光学显微镜和 Tecnai G220透射电镜下进行。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果与极差分析

正交试验结果如表2所示。从表2可以看出：在因素A每个水平所在的每组试验中，其他因素(B和C)的5个水平都只出现1次。为了综合分析因素A的5个水平对试验结果的影响，把因素A的每一个水平所处的组内试验数据(抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和相对电导率I)相加，并分别除以水平重复数(本试验为5)，记为k1，k2，k3，k4和k5。这样，因素B和C对k1～k5的影响是一致的，k1～k5之间的差异可以认为是因素A的水平不同而引起的。用同样的方法分析因素B和C对σb，σ0.2和I的影响，最后，求出每列k值的最大值与最小值之差R(极差)，计算结果见表3。

表2 正交试验安排及结果Table 2 Scheme and results of orthogonal experiment

由表3中的极差R可以看出：无论是对σb和σ0.2，还是对I的影响，因素B的R均最大，因素A的R次之，因素C的R最小。这说明在低铍含量Cu-Ni-Be合金形变时效处理中，时效时间的变化对各性能指标的影响最大，是主要因素；而时效温度、冷变形量的改变对各性能指标的影响依次减小。

表3 极差分析结果Table 3 Results of range analysis

从表3中σb和σ0.2的k变化规律可以看出：σb和σ0.2的k变化趋势基本相似，峰值位置基本相同，均随着时效温度的增加先升高，在470 ℃左右达到峰值后再降低；表3中I的k则随时效温度的增加而增加，考虑到各时效温度下的I均较高，能够达到性能要求，因而，时效温度选取强度达到峰值时的470 ℃。同理，分析时效时间和冷变形量变化对σb，σ0.2和I的k的影响，得出低铍含量Cu-Ni-Be合金形变时效较优工艺参数为：37.5%冷变形+470 ℃/2 h时效。

2.2 方差分析

为了区分某因素各水平所对应的试验结果间的差异，对试验结果进行方差分析。各因素的自由度均为4，误差项自由度为 12，查F检验的临界值(Fα)表[14]，可知，当α=0.01，0.05和0.1 时，Fα分别为：F0.01(4, 12)=5.41；F0.05(4, 12)=3.26；F0.1(4, 12)=2.48。通过计算得出σb，σ0.2和I的F及方差，如表4所示。由表4可知：方差分析结果与极差分析结果基本吻合，极差分析结果有效。

表4 方差分析结果Table 4 Results of variance analysis

3 验证试验及其显微组织分析

从上述分析结果可知：低铍含量Cu-Ni-Be合金最佳形变时效工艺参数为 37.5%冷变形+470 ℃/2 h时效。为此，进行了多次验证试验，发现在该工艺下合金抗拉强度达到820 MPa，屈服强度超过730 MPa，相对电导率I超过53%，伸长率达到9%，综合性能达到并超过了材料使用要求，为高性能低铍含量Cu-Ni-Be合金的制备提供了实验依据。

合金经不同形变时效工艺处理后的显微组织和透射电镜像如图1和图2所示。经不同变形量冷变形后，合金在470 ℃时效2 h的显微组织如图1所示。可见：经较小冷变形量变形后再进行时效处理的合金(图1(a))，晶粒较粗大，呈等轴状，加大冷变形量变形后再进行时效处理的合金(图1(b)和图1(c))，晶粒沿轧向仍有被拉长的迹象，晶粒更加细小。冷变形量较小时，合金基体畸变量小，晶粒细化效果不明显。此时，基体形成的位错和空位少，为其后时效过程中γ″析出物的析出提供的形核位置和储能少[17]，γ″析出物密度小，尺寸大，如图 2(a)所示。冷变形量增大后，合金晶粒沿轧向拉长，形成纤维状组织，晶粒细化均匀。此时，基体形成大量位错和空位，为其后时效过程中γ″析出物的析出提供了大量的形核位置和储能，析出的γ″析出物非常细小弥散，强化效果明显，如图2(b)所示。

图1 不同形变时效条件下合金的显微组织Fig.1 Microstructures of alloys in different deformation aging processes

图2 不同形变时效条件下合金的TEM像Fig.2 TEM images of alloys in different deformation aging processes

由图1(c)和图2(b)可见：合金经过37.5%冷变形、470 ℃时效2 h后，晶粒较细小均匀，析出物也细小均匀地弥散分布在基体中，起到了很好的强化效果，此时，合金强度较高，综合性能也较好。由图1(d)和图2(c)可知：随着时效时间的延长，晶粒尺寸增大，析出物聚集、粗化，强化效果下降，合金的强度降低，同时，晶界和析出物对电子的散射作用也有所降低，合金的相对电导率上升。

图3所示为合金经不同形变时效工艺时效2 h后拉伸断口的 SEM 形貌。可见：合金的拉伸断口呈现韧性断裂特征，为等轴韧窝，韧窝较小、较浅；时效温度较高时断口的韧窝较深；温度较低时断口的韧窝不均匀，撕裂痕迹不明显。这是由于合金经过冷变形后，产生加工硬化，强度上升，塑性下降。此时，合金经时效加热后，发生回复和再结晶[18]，使合金塑性被部分恢复。图 1(e)所示为合金经过 37.5%冷变形、440 ℃保温2 h时效后的显微组织。由于时效温度过低，回复和再结晶不充分，合金仍以变形组织为主，塑性较低。而在470 ℃时效后，合金再结晶程度加大，变形组织被部分消除(图1(c))，塑性提高。

图3 合金拉伸断口的SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of tensile fracture section of alloys

4 结论

(1)时效时间对低铍含量Cu-Ni-Be合金的抗拉强度、屈服强度和相对电导率的影响最大，时效温度次之，冷变形量最小。时效前的冷变形可以使合金晶粒细化，为时效析出提供了储能和形核位置；合理的时效工艺可以使大量细小的析出物弥散分布在基体中。

(2)最佳的形变时效工艺参数为：37.5%冷变形+470 ℃/2 h时效。在该工艺条件下，合金含有大量细小弥散的γ″析出物，抗拉强度达到820 MPa，屈服强度超过730 MPa，相对电导率超过53%，伸长率达到9%，合金综合性能最佳，达到并超过了材料使用要求，为高性能低铍含量 Cu-Ni-Be合金的制备提供了实验依据。

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