磷青铜合金

借助单轴微拉伸试验研究了磷青铜薄板力学性能和韧性断裂的尺寸效应。结果表明屈服强度与材料厚度ｔ、晶粒尺寸ｄ之间均存在着Ⅱ类尺寸效应但与ｔ／ｄ之间却存在着Ⅰ类尺寸效应。断口形貌显示随着ｔ的减小断裂机制由韧窝－微孔聚集断裂向滑移分离过渡；随着ｄ的增大韧窝逐渐变大变深但当ｔ／ｄ＜１时拉伸过程过早形成微裂纹导致试样迅速断裂。最后基于表面层模型构建了介观尺度磷青铜薄板的混合本构方程

单轴拉伸试验作为一种简单且便于测量材料力学性能的方法被国内外众多学者用于研究介观尺度薄板材料力学性能的尺寸效应。通过拉伸试验研究了不同厚度薄板流动应力的尺寸效应发现在25-500μｍ厚度范围内的流动应力表现出“越小越弱”的尺寸效应将这类“越小越弱”的尺寸效应称为Ⅰ类尺寸效应并在晶体塑性变形物理机制的基础上利用表面层模型对这种现象进行了理论分析。但通过单轴拉伸试验发现流动应力并非一直随着板料几何尺寸的减小而减小他们在试验中同时考虑板料厚度和晶粒尺寸的影响

磷青铜具有良好的力学性能、耐腐蚀抗磨损、冲击时不易产生火花等优点常应用于航空宇航、电机电器、电子信息等行业领域的耐磨零件和弹性件。随着“轻、薄、短、小”等介观尺度特征零件的产业化需求开展磷青铜薄板微成形过程中的力学性能和韧性断裂的尺寸效应研究很有必要。

磷青铜薄板单轴拉伸试验

试验所用材料为C5191磷青铜对应国内牌号为QSN65-01其质量分数如下：Ｓｎ为５．５％～７．０％Ｐ为０．１１％～０．１３％Ｆｅ为≤０．０２％Ｐｂ为≤０．０５％Ｚｎ为≤０．２０％其余为Ｃｕ。

为获得不同晶粒尺寸的磷青铜薄板将厚度ｔ为50μｍ、100μｍ、250μｍ的薄板放到热处理炉中分别进行300℃、400℃、500℃、600℃和700℃的退火试验。参照有色金属行业标准YS／T449-2021对退火热处理后的薄板试样进行冷镶、抛光、腐蚀、金相观测和晶粒尺寸测量获得的晶粒尺寸如表１所示

根据相似性原则将宏观拉伸试样等比缩放为薄板拉伸试样在试样两端设计工艺孔以配合夹具夹持并减少夹持端的夹持力不稳定对试验误差的影响。另外在试样多片组合慢走丝线切割时采用“割三修四”的特殊工艺以保证试样标距段的精度减小氧化层的不利影响。拉伸试样如图１所示

薄板单轴拉伸试验时需尽可能减小试验误差。试样装夹过程中维持试样上下两端垂直避免试样拉伸扭曲。每次拉伸试验均需先预加适当小载荷后再卸载以消除试样安装间隙误差并获得准确的拉伸位移。试验采用统一的准静态拉伸应变速率为0001S-1将３次重复试验后的平均值作为计算材料真实应力－应变的数据。单轴拉伸试验目的是为了研究薄板特征尺寸和晶粒大小对材料力学性能的尺寸效应

因此设计了３组试验：1、不同材料厚度的单轴拉伸；2、不同晶粒尺寸的单轴拉伸；3、不同材料厚度和不同晶粒尺寸的单轴拉伸。

磷青铜合金试验结果与分析

材料厚度对磷青铜薄板力学性能的影响为研究材料厚度对磷青铜薄板力学性能的影响本文分别选取50μｍ、100μｍ、250μｍ、500μｍ和800μｍ的薄板进行单轴拉伸试验获得的厚度对材料力学性能的影响规律曲线如图２所示。从图２中可以看出材料的力学性能在厚度方向上存在明显的“越小越强”尺寸效应表明磷青铜薄板拉伸时表面层效应已不再起主导作用含内禀尺寸的应变梯度效应更为显著。材料内部塑性流动在拉伸载荷作用下出现了局部化现象产生附加的非均匀塑性变形此时几何必须位错将协调材料内部的点阵畸变在晶粒内部形成位错墙即亚晶界亚晶界的出现将极大增大统计储存位错运动的阻力使得屈服强度提高