微量钕对纯晶粒大小及铜硬度的影响
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇微量钕对纯晶粒大小及铜硬度的影响范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：金属材料的性能和晶粒大小有着密切关系，工业上常使用添加形核剂的方法细化晶粒，从而提高和改善金属材料的性能。该文通过在纯铜中加入微量稀土元素钕，研究其对纯铜晶粒大小和硬度的影响。结果表明：少量的钕可以细化晶粒提高硬度，加入量过多反而使晶粒变粗硬度下降。
关键词：纯铜 钕 晶粒 硬度
中图分类号：TG146.1+1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0103-01
金属材料的性能和晶粒大小有着密切关系，根据Hall-petch公式[1]，晶粒细化既能提高材料的强度，又能提高材料塑性。在实际生产中，常采用添加合金元素的办法细化金属材料的凝固组织，提高材料的性能。有文献报道[2]，在纯铜中添加稀土Ce，稀土元素有向晶界分布的趋势，并使晶粒明显细化。在Cu-Ni-Zn合金中添加稀土元素，发现稀土细化了该合金的组织，并提高了抗拉强度及硬度[3]。
学者们广泛的研究了稀土元素对有色金属的组织和性能的影响，对其作用机理的研究也取得了很大进展。学者普遍认为稀土元素有以下作用[4]。第一可以减少有色金属中有害元素和杂质；第二使非金属夹杂物变质以或降低，去除其残留在固态金属中的危害性。稀土元素不仅能减少夹杂物的数量，还能细化、改善其存在的形态和结构。第三在金属材料中的微合金化或合金化作用。可见稀土元素可以作为一种有益的添加元素使用。该文通过在T2纯铜中加入微量的稀土元素钕，采用真空熔炼，分析研究钕对纯铜晶粒度和硬度的影响，为稀土在铜中作用的研究做基础性工作。
1 实验材料及方法
原材料采用99.9%的T2纯铜和纯度都大于99.9%的稀土金属钕。纯铜在加热前要进行使用碳酸钠水溶液表面处理和预热去气。粉末状稀土钕和紫铜棒一起放入事先烘干的石墨坩埚中，放入真空熔炼炉中加热到设计温度，保温预定时间，然后采用炉冷。通过不同的成分配比加工成成分 0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 wt%系列的 Cu-Re合金试样。在XLM-20型金相显微镜下观察组织，并做定量金相分析。在布氏硬度机测量试样的硬度。
2 实验结果与分析
2.1 实验结果
2.2 钕对晶粒大小的影响
晶粒大小是由晶粒度表示。而晶粒度的数值表示有多种。为了更方便直观，本实验采用金相法测量的晶粒大小用公称直径表示。从实验结果我们能清楚的看到钕在加入量很少（小于0.06 wt%）时，随着钕含量的增加，晶粒逐渐变小。而当加入量从0.06 wt%开始，晶粒却逐渐增大。
稀土钕对纯铜的细化作用主要有两方面原因，一方面是稀土钕起到异质形核的作用。稀土元素在凝固时大量的聚集在固液界面前沿的液相中，使合金在凝固时成分过冷增大，以树枝状方式凝固成长，同时在型壁形核晶粒，由于稀土溶质的偏析，使晶粒根部的成长受到了抑制，增加了熔断游离的结晶核心，从而细化了晶粒。另一方面，稀土的原子半径大于铜的原子半径，进入铜相晶格内引起较大的晶格畸变，使系统能量增加，为保持系统自由能最低，稀土原子只能向原子排列不规则的晶界富集，所以铸态组织中稀土原子大都分布在晶界，并阻滞晶粒长大。稀土钕在加入量比较少的时候细化晶粒，加入量较多时形成了大量的稀土化合物，减小了成分过冷的作用，合金组织反而粗化了。
2.3 钕对纯铜硬度的影响
稀土钕对纯铜硬度影响从实验结果中可以清晰的看到，铜合金的硬度随着稀土钕加入量增加而增大，并且在稀土含量0.04 wt%时硬度达到最大，之后又开始明显下降。
从硬度试验的特点来看，硬度值是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是材料成分和组织差异的敏感反应。稀土钕对硬度值得影响，一方面是固溶强化的作用。由于稀土原子和铜原子直径的差异，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，在塑性变形时，位错应力场与晶格畸变场交互作用，阻碍位错运动，从而使屈服强度提高。另一方面，从实验结果中看到，加入少量的钕之后，晶粒细化，增加晶界对位错阻碍，起到细晶强化的作用。在以上两方面原因共同作用下，使铜的硬度提高。
硬度下降一方面原因是由于晶粒增大，晶界对位错的阻碍作用减小，使硬度减小；另一方面，当过量的稀土钕与杂质反应，形成氧化物夹杂来不及上浮排除，残留在铜合金中，杂质的含量随着稀土加入量增加而增加，并且在铜合金中成不均匀分布，这样在外力作用时产生应力集中，也导致硬度值下降。
3 结语
（1）在纯铜中添加适量的稀土元素钕可以起到细化晶粒的作用，而当加入量超过0.06 wt%反而会粗化晶粒。
（2）微量的稀土元素钕可以稀土提高纯铜的硬度，而过量的钕反而会使硬度下降。
参考文献
[1] 吴卫华.铜及铜合金晶粒细化方法的研究现状[J].湖南冶金，2006，34（5）：44-48.
[2] 马壮，张连勇，赵越超.稀土元素在纯铜中的分布及对铸态组织的影响[J].有色金属（冶炼部分），2002（6）：41-44.
[3] 黄义宏，谭新常.稀土对Cu-Ni-Zn合金性能及显微结构的影响[J].稀有金属与硬质合金，1999（2）：1-3.
[4] 刘静安，温育智.稀土在有色金属工业中的开发与应用[J].四川有色金属，2002（4）.