閆 晨，胡 亮，李俊岳，李文莉，徐印輝，陳愛(ài)華

（1.江東合金技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226000；2. 南京工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3. 江蘇省先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167）

高速鐵路電纜主要是由導(dǎo)體材料、絕緣層、屏蔽層和護(hù)套層構(gòu)成。其中導(dǎo)體材料是高速鐵路電纜“電能傳輸”的載體，其性能的好壞決定著高速鐵路電纜的質(zhì)量[1-3]。相對(duì)于普通電線(xiàn)電纜而言，高速鐵路電纜具有技術(shù)含量高、適用條件較嚴(yán)格、附加值高的特點(diǎn)。而作為高速鐵路電纜核心部件的電纜導(dǎo)體材料，要求其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、抗氧耐磨和強(qiáng)韌匹配性能[4，5]。

本文通過(guò)銅導(dǎo)體在冷拉拔過(guò)程中微觀組織的演化行為和力學(xué)性能的變化特征來(lái)探索冷拉拔加工工藝對(duì)銅合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)原料與方法

試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)材料為T(mén)2純銅，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料化學(xué)成分

經(jīng)過(guò)熔煉、成型后得到銅導(dǎo)體桿，隨后經(jīng)過(guò)不同的冷拉拔道次制備出不同直徑的銅導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)直徑見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)線(xiàn)直徑

試樣的微觀組織形貌采用IE200M金相顯微鏡觀察；采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試；采用維氏硬度計(jì)測(cè)試樣品的硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅導(dǎo)體在冷拔過(guò)程中組織演變

圖1為銅導(dǎo)體桿在冷拔過(guò)程中的微觀組織變化，其中圖1a為原始銅桿的微觀組織（1#試樣），可以明顯地觀察到試樣的低倍組織多為粗大而發(fā)達(dá)的柱狀晶，其晶界十分明顯，結(jié)晶以樹(shù)枝狀的方式生長(zhǎng)，且晶粒粗大。圖1b為2#試樣微觀組織，在圖中可以明顯觀察到循變形方向呈拉長(zhǎng)的純銅晶粒，且具有明顯的拉拔應(yīng)變線(xiàn)和形變孿晶。拉拔變形量為53.2%的純銅試樣與原始試樣相比，其晶粒被明顯拉長(zhǎng)變形并有部分破碎，呈現(xiàn)出不均勻性。其原因在于經(jīng)退火工藝后的純銅試樣內(nèi)部晶粒的位向是各不相同的，所以各晶粒的受力方向和大小也就不同，位向與拉拔方向一致的晶粒會(huì)首先進(jìn)行滑移發(fā)生變形。因此可以說(shuō)明晶粒的變形不是同時(shí)進(jìn)行的，這就造成了拉拔過(guò)程中出現(xiàn)的晶粒不均勻性。圖1c為3#試樣的微觀組織，在圖中還是能隱約觀察到被明顯拉長(zhǎng)變形的晶界和破碎的晶粒，不再保持原有的等軸形狀。圖1d為4#試樣的微觀組織，可以明顯觀察到晶粒、晶界進(jìn)一步破碎和變形，試樣中已出現(xiàn)明顯的纖維狀組織。圖1e和f為5#和6#試樣的微觀組織，可以看到試樣組織的晶粒已經(jīng)徹底破碎、分解，組織基本上已經(jīng)細(xì)化，沒(méi)有晶界的存在，并且隨著拉拔變形量的進(jìn)一步增大，其纖維組織變得更細(xì)、更直，橫向上的顆粒也逐漸變得模糊、消失。

2.2 銅導(dǎo)體在冷拔過(guò)程中力學(xué)性能變化

由圖2a試樣維氏硬度試驗(yàn)的圖表數(shù)據(jù)可以大致看出，銅絲在冷拉拔過(guò)程中，當(dāng)拉拔變形量小于55%時(shí)其硬度值隨變形的量增加而急劇增大，其原因主要是由于試樣在冷拉拔過(guò)程中粗大的晶粒逐漸變得細(xì)化、致密，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化的作用，因此可以通過(guò)減小晶粒尺寸即細(xì)化晶粒的方法來(lái)提高純銅試樣的硬度，從而改善其力學(xué)性能。

但當(dāng)形變量大于55%時(shí)，硬度值隨變形量增大而出現(xiàn)略有下降的趨勢(shì)，其主要原因是由于拉拔變形量的繼續(xù)增大導(dǎo)致試樣中晶粒完全破碎，其組織也逐漸向纖維組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，由于缺少了細(xì)晶強(qiáng)化的作用，所以導(dǎo)致試樣的硬度值略有下降。

圖1 銅導(dǎo)體在冷拔過(guò)程中組織演變

圖2 銅導(dǎo)體在冷拔過(guò)程中力學(xué)性能變化

當(dāng)最終變形量達(dá)到90%時(shí)，由于選取的各個(gè)試樣之間的變形量相差不是很明顯，所以試樣的硬度值變化出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象，但是總體變化不大，呈緩慢上升的趨勢(shì)。由此可以得知銅絲在冷拔過(guò)程中的硬度值隨拉拔變形量的增大而呈增加趨勢(shì)。

圖2b為試樣拉拔過(guò)程中最大應(yīng)力變化曲線(xiàn)可以明顯地觀察到試樣在拉拔斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力會(huì)隨著拉拔變形量的增加而逐漸增大。當(dāng)拉拔變形量接近于97%時(shí)，其最大應(yīng)力值會(huì)到達(dá)最大值459MPa，說(shuō)明當(dāng)試樣拉拔變形量達(dá)到97%時(shí)存在最大抗拉強(qiáng)度，其值大約為460MPa。但再繼續(xù)增加變形量，可以發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力值會(huì)有所下降。

圖2c為試樣拉拔過(guò)程中應(yīng)變率變化曲線(xiàn)，可以明顯地觀察到隨著拉拔試樣的變形量逐漸增加，其拉拔斷裂時(shí)的應(yīng)變量也會(huì)逐漸增大。這說(shuō)明銅絲在冷拔過(guò)程中隨著拉拔變形量的增加，其應(yīng)變量也會(huì)隨之增大。出現(xiàn)這一變化規(guī)律的主要原因是試樣在冷拔過(guò)程中隨著變形量的增加，內(nèi)部位錯(cuò)會(huì)不斷產(chǎn)生并增殖，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致試樣表面產(chǎn)生應(yīng)變硬化層，這一結(jié)果是由形變強(qiáng)化的作用導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

本文獲得主要結(jié)論如下：

（1）銅絲在冷拉拔過(guò)程中顯微組織的演化行為大致可以分為3個(gè)階段：當(dāng)變形量小于55%時(shí)，純銅試樣初始的等軸粗大的晶粒被逐漸拉長(zhǎng)、變形并破碎；當(dāng)變形量為55%～90%時(shí)，隨著變形量繼續(xù)增大，破碎的晶粒組織逐漸向纖維狀組織轉(zhuǎn)變；當(dāng)形變量大于90%時(shí)，纖維組織會(huì)隨著變形量進(jìn)一步增大而變得更細(xì)、更直。

（2）銅絲在冷拉拔過(guò)程中硬度值的變化主要分為2個(gè)階段：當(dāng)變形量小于55%時(shí)，隨著變形量增大其硬度值急劇升高，這是由于細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化共同作用的結(jié)果；當(dāng)形變量大于55%時(shí)，其硬度變化會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)現(xiàn)象，但是總體變化不大，呈緩慢上升的趨勢(shì)。

（3）銅絲在冷拔過(guò)程中其抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變量會(huì)隨著拉拔變形量的增加而呈升高趨勢(shì)，并且材料的抗拉強(qiáng)度最高課達(dá)到460MPa，該過(guò)程中銅絲的斷面收縮率和伸長(zhǎng)率這些塑性指標(biāo)也會(huì)有所升高，從而使其力學(xué)性能得到改善。