时效工艺对铍青铜薄板弹性元件显微组织和力学性能的影响分析

武婧亭 赵 斌 韩 岷 冉江南

时效工艺对铍青铜薄板弹性元件显微组织和力学性能的影响分析

武婧亭 赵 斌 韩 岷 冉江南

（天津航天机电设备研究所，天津 300450）

研究了不同时效参数对铍青铜显微组织和力学性能的影响，金相和力学性能分析的结果表明：时效温度不同，铍青铜弹性元件的显微组织和力学性能不同。经工艺三处理后的铍青铜弹性元件显微组织晶界清晰，且明显有强化相γ相析出，硬度在370～380 HV10，而经工艺一和工艺二处理后的铍青铜显微组织无强化相析出，或析出较少，硬度不足330 HV10。

QBe2.0；时效处理；微观组织；力学性能

1 引言

铍青铜是以铍为基本合金元素的铜基合金材料，它具有高弹性、高强度，是一种重要的弹性材料。且具有耐腐蚀、耐疲劳、无磁性、弹性滞后小、稳定性好、导电性好、承受冷热压力加工的能力较强等优良的综合性能。被广泛应用于航空航天、电子、电器、军工等领域[1～3]。某机构件用QBe2铍青铜薄板做弹性元件，后进行真空时效处理，分析并研究热处理工艺参数对铍青铜弹性元件显微组织和力学性能的影响。

2 试验材料及过程

2.1 材料

试验用铍青铜薄板QBe2.0的主要化学成分（质量分数）见表1。

表1 QBe2.0 铍青铜板的化学成分（质量分数，%）

2.2 工艺流程

铍青铜QBe2.0 C态，0.5mm薄板加工成如图1所示弹性元件3件，以下称试件1、试件2和试件3加工工艺流程为：下料→线切割→钳工折弯→真空时效处理。真空时效处理设备型号为HZQ-80。

图1 弹性元件三维模型

表2 热处理工艺参数

分别按表2中的三种工艺真空时效处理，时效处理后选取5mm×5mm小块制备金相试样，经打磨，抛光后采用10gCuCl2+90ml氨水腐蚀5～8s后洗净，吹风机吹干，在Axio vert A1金相显微镜下观察分析微观组织形貌。在THBRVP-187.5E数显硬度计上测量试样硬度。

3 试验结果与分析

3.1 金相组织

结合金相组织检测来分析不同热处理工艺参数下的效果，将三个试件分别用镶嵌机镶嵌为金相试样，如图2所示，在Axio vert A1金相显微镜下观察其微观组织。

图2 金相式样

图3 三种工艺下的铍青铜弹性元件金相组织

图3是三种工艺的铍青铜显微组织。经工艺一处理后的铍青铜组织如图3a所示，可以看到并无强化相析出。经工艺二处理后的铍青铜如图3b所示，晶界不清晰，强化相γ相析出较少且细小，不易分辨。图3c是工艺三处理后的铍青铜显微组织，可看出其显微组织明显有别于工艺一和工艺二，有明显的强化相γ相。对比图3a、图3b、图3c可知，时效温度较低，黑色γ相较少，时效温度升高，亮白色β相分解为黑色γ相，γ相逐渐增多，晶界附近黑色区域逐渐增多。

α、β、γ三相存在于铍青铜显微组织中，α相是以铜为基的面心立方晶格固溶体，低硬度，高韧性。β相是以电子化合物CuBe2为基的体心立方晶格无序固溶体，高温稳定性好。γ相是以CuBe2为基的体心立方晶格有序固溶体，高硬度，高脆性[4～10]。

3.2 力学性能

试件1和试件2力学性能如表3所示。

表3 不同热处理工艺参数下的试件维氏硬度

图4为时效温度与维氏硬度的关系，可以看出，随着温度的升高，维氏硬度逐渐增加，280℃硬度最低，仅HV175-194。320℃硬度最高，为HV372-377。工艺一处理后的铍青铜组织中没有过饱和的α固溶体出现，也没有强化相γ相出现，因此硬度得不到提高。工艺二处理后的铍青铜组织仅有少量γ相出现。Cu-Be二元合金相图表明铍青铜的固溶处理机制是铍在铜中的溶解度随温度的降低而降低，铍青铜加热到其固溶温度，保温后快速冷却，使富铍相充分固溶于铜基体中，获得最大浓度的过饱和固溶体。时效强化机理是从过饱和的固溶体中析出高度弥散的γ相从而提高铍青铜的强度。由于铍元素固溶于铜中，产生了过饱和α相，析出在晶界上，基体α组织内部分散着均匀的小颗粒物，即溶解度相当低的硬脆相γ，γ相呈点状，为硬而脆的金属间化合物，呈弥散分布，使位错运动受阻，从而材料硬度增加。过饱和的α固溶体发生脱溶，脱溶物呈弥散分布，时效硬化明显。γ相分布范围较广，合金的脆性增大。

图4 不同热处理工艺参数下的试件维氏硬度对比

4 结束语

a. 时效温度不同，铍青铜弹性元件的显微组织和力学性能不同，经320℃，2.5h处理后的铍青铜弹性元件显微组织晶界清晰，且有明显强化相γ相析出。而经280℃，2.5h处理后的铍青铜显微组织晶界不清晰，无强化相析出。而经300℃，2.5h处理后的强化相析出较少，不易分辨。

b. 经320℃，2.5h处理后的铍青铜弹性元件硬度为373HV10，明显高于280℃处理后的191HV10和300℃处理后的310HV10。再次验证了时效过程中，从过饱和体α组织内析出了溶解度相当低的硬脆相γ，呈弥散分布，使位错运动受阻，从而材料硬度增加。

1 崔忠圻. 金属学与热处理[M]．北京：机械工业出版社，1996，121

2 玛瑞．金属物理学[M]．北京：科学出版杜，1999，360

3 樊东黎.热处理技术手册[M]. 化学工业出版社，2009，639

4 周善佑. 铍青铜的热处理[J]. 金属热处理，1981，26(1)：1～9

5 高俊生．OBe2铍青铜合金的晶界折出和对硬度的影响[J]．金属热处理，1990，36(3)：33～35

6 付栋，岳丽娟，王秋迎．不同时效工艺处理后QBe2.0硬态铍青铜带材的组织性能[J]. 宁夏工程技术，2005，21(2)：60～62

7 高后秀．铍青铜时效工艺研究[J]．金属热处理，1985，19(3)：3～9

8 郁龙贵. 用锻造法改善铍青铜γ1相的均匀性[J]. 物理测试，2003，23(2)：1～3

9 刘俊伟. 分级时效对QBe2铍青铜力学性能及微观组织的影响[J]. 特种铸造及有色合金，2018，38(3)：346～347

10 刘淑凤. 铍青铜中β相与γ相的鉴别方法[J]. 理化检测-物理分册，2014，50(1)：31～33

Effect of Aging Processing Parameter on Microstructure and Mechanical Property of Beryllium Bronze Elastic Element

Wu Jingting Zhao Bin Han Min Ran Jiangnan

(Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical equipment, Tianjin 300450)

Theeffect of aging processing parameter on microstructure and mechanical property of beryllium bronze elastic element was studied. The result shows that, the microstructure and mechanical property of beryllium bronze elastic element were different because of the varied heat treatment parameter. After the third technology, the crystal boundary of the microstructure was clear, and the strengthening phase was separated out. And the vickers-hardness was 370-380 HV10. While there was no strengthening phase after the first technology or the second technology. And the vickers-hardness was less than 370～380 HV10.

QBe2.0；aging treatment；microstructure；mechanical property

武婧亭（1985），硕士，材料成型及控制工程专业；研究方向：金属材料热处理工艺技术的研发。

2020-07-17