对Cu-1.9Be-0.25Co合金进行780℃×4h固溶处理与不同温度(300，320，340，360℃)和不同时间(1，2，4，8，16h)的时效处理，研究了时效工艺对合金析出行为的影响规律。结果表明：获得峰时效的时效工艺为320℃×8h，此时合金的硬度为422HV；在320℃时效过程中合金析出相的演变规律为亚稳γ″相→半共格γ'相→非共格γ平衡相；时效初期(1~2h)析出相短时间内大量析出是合金硬度快速升高的主要原因，时效中期(2~8h)析出相与铜基体的半共格关系是获得峰时效的主要原因，时效后期(8~16h)析出相和基体脱离半共格关系，合金发生过时效，硬度降低。

1 试样制备与试验方法

     试验材料包括电解铜、纯钴片、Cu-3.8Be(质量分数/%，下同)中间合金。采用真空感应熔炼炉制备Cu-1.9Be-0.25Co合金，制备过程中所采用的坩埚为高纯石墨坩埚，熔炼时的加料顺序依次为电解铜、纯钴片、Cu-3.8Be中间合金，熔炼温度为1250℃，熔炼时使用木炭覆盖以达到脱氧的目的；经除气、除渣等处理后，将金属熔液浇注到金属型模具中进行凝固，浇注温度为1180~1200℃。参考QBe1.9合金的最佳固溶工艺参数以及前期探索性试验，确定了该合金的固溶工艺为780℃保温4h，水冷；采用箱式电阻炉对经780℃×4h固溶处理后的合金进行不同工艺的时效处理，时效温度分别为300，320，340，360℃，时效时间分别为1，2，4，8，16h。

     采用数显显微硬度计对合金的硬度进行测试，载荷为0.98N，保载时间为10s。利用线切割方法切取厚度为0.5mm的薄片试样，用砂纸机械打磨至厚度为50~70μm用冲片机将试样冲成直径为3mm的圆片，并通过离子减薄仪进行等离子减薄，采用透射电子显微镜(TEM)观察不同时效时间下析出相的形貌、尺寸、结构、分布等。

2 试验结果与讨论

2.1 时效工艺对硬度的影响

     由图1可知，在同一时效温度下，时效初期合金的硬度均大幅提高，随着时效时间的继续延长硬度基本保持不变。固溶态合金的硬度为140HV，在不同温度时效较短时间内(0~2h)，合金的硬度快速升高，是由时效过程中饱和固溶体发生脱溶，第二相开始析出，时效早期析出驱动力较大导致的。在300，320，340，360℃时效温度下经2h时效处理后合金的硬度分别为365，412，413，384HV，与固溶态相比，硬度分别提高了160.1%，194.3%，195%，172.1%。随着时效时间的进一步延长(2~8h)，300，320，340℃温度下合金的硬度随时间的延长缓慢升高，这是由时效过程中随着溶质原子不断析出，过饱和度下降，析出动力减小导致的，时效8h后硬度分别为389，422，415，381HV；随着时效时间的进一步延长(8~16h)，320，340，360℃温度下合金硬度均略有下降，时效16h后的硬度分别为396，382，362HV，与时效8h相比，硬度分别降低了6.2%，8.0%，5.7%，而300℃温度下合金的硬度继续缓慢增高至峰值391HV，此时硬度对时效时间的敏感性比对时效温度的敏感性高。综合比较可知，在试验条件下Cu-1.9e-0.25Co合金在320℃×8h时效工艺下可获得较高的硬度。

图1 不同时效温度下Cu-1.9e-0.25Co合金的硬度随时效时间的变化曲线

2.2 时效工艺对析出相特征的影响

     Cu-1.9e-0.25Co合金的峰时效工艺为320℃×8h，且该时效温度下不同时效时间下的硬度均较高，因此重点研究320℃分别时效1，2，4，8，16h过程中合金析出相的特征演变规律。

   由图2可以看出：Cu-1.9Be-0.25Co合金经320℃×1h时效处理后，开始析出大量尺寸较小的析出相，析出相呈扁盘状，其长度、宽度范围分别为10~26nm和1~4nm；在2/3{200}α处出现析出相衍射花样强点。

图2 经320℃×1h时效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花样

     XIE等和MONZEN等研究发现，在γ″相形成初期，GP区在1/2{200}α方向上发生堆积至2/3{200}α处，这是γ″相形成时的一个特征；研究发现，γ″相是一种由原子分数90%铍与10%铜组成的盘状析出物。通过选区电子衍射花样的标定和分析发现析出相γ″为铍元素和铜元素形成的金属间化合物BeCu相，其结构为体心四方结构。基体的点阵参数为0.192nm，大量扁盘状析出相的形成可优先阻碍位错的运动，因此时效1h后合金的硬度得到大幅度提高。

图3 经320℃×2h时效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花样

     由图3可以看出，与时效1h相比，时效2h合金中的析出相仍呈扁盘状，长度为15~40nm，宽度为1~5nm，同时在析出相周围存在大量黑白相间的条纹，这说明在析出相周围产生了弹性应变场。弹性应变场可以湮灭固溶态空位，促进溶质原子在基体中扩散，从而加快析出相的析出及长大进程，对合金性能的提升具有重要作用。时效2h合金中的析出相仍为体心四方结构CuBe相，晶格常数a和b均为0.253nm，c为0.290nm，由错配度公式得到析出相与基体的错配度为27.8%，表明析出相γ″与基体之间为非共格关系。析出相尺寸较时效1h发生部分长大，但仍保持了较强的晶格畸变程度，因此硬度仍保持在较高水平。

图4 经320℃×4h时效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花样

     由图4可以看出，当时效时间为4h时，合金中析出相的尺寸、数量均发生明显改变，具体表现为析出相数量减少尺寸明显增大，其长度为30~60nm，宽度为4~10nm。经过选区电子衍射花样的标定和分析，发现合金中有2种倾斜角度的γ'相，且(100)γ'与基体(200)方向的夹角均约为6°，由错配度公式得到析出相γ'与基体之间为半共格关系。2种析出相γ'仍为体心四方结构，晶格常数a和b均为0.253nm，c 为0.29nm。析出相周围弹性应变场进一步增多，即晶格畸变的程度进一步增大，对位错的阻碍程度增加，有利于合金的硬度提升。

图5 经320℃×8h时效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花样

     由图5可以看出，当时效时间为8h时，合金中的析出相数量减少，但尺寸明显增大，长度为30~100nm，宽度为4~11 nm,尺寸差异比较大。共格的γ'析出相仍为体心四方结构。由错配度公式得到析出相与基体错配度为7.2%，表明析出相γ'与基体之间为半共格关系，但共格程度比时效时间为4h时的强。析出相周围弹性应变场进一步增多，即晶格畸变的程度进一步增加，对位错的阻碍作用也进一步增大，合金的硬度进一步提高。

图6 经320℃×16h时效后Cu-1.9Be-0.25Co合金析出相的TEM形貌和衍射花样

     由图6可以看出，当时效时间为16h时，析出相的数量明显增多，但尺寸稍有减小，长度为30~80nm、宽度为4~10nm。析出相的晶格参数a为0.27nm，结构为CsCl型体心立方结构，这是平衡相γ相的特征。由错配度公式计算得到，析出相与基体的错配度为38.3%，表明析出相与基体脱离了半共格关系，合金发生了过时效，即亚稳相γ'发生相变转变为平衡相γ，合金发生软化现象，硬度降低。析出相为具有体心立方结构的γ相。

     Cu-1.9Be-0.25Co合金的硬度主要与析出相的形貌、尺寸、数量、析出相/基体共格关系等特征参量有关。时效初期(1~2h)，合金中的析出动力大，析出相尺寸较小，数量较多，硬度快速升高；时效中期(2~8h)，析出相数量基本达到平衡，尺寸增大，析出相与基体保持半共格的关系，析出相周围弹性应变场增多，合金硬度保持在较高水平，且在时效8h时合金达到峰时效状态；时效后期(8~16h)，析出相和基体脱离共格关系，合金发生过时效，硬度降低。

3 结论

    (1) 不同时效温度下Cu-1.9Be-0.25Co合金硬度随时效时间的变化趋势基本相同，在时效初期(1~2h)先急剧增加，后随着时效时间的延长基本保持不变。在试验条件下，Cu-1.9Be-0.25Co合金经320℃×8h时效处理后，其硬度达到峰值，为422HV。

    (2) Cu-1.9Be-0.25Co合金经320℃和不同时间时效后，其析出相的演变规律为非共格亚稳γ″相→半共格γ'相→非共格平衡γ相，主导强化机制为共格应变强化机制，析出相CuBe相结构由体心四方结构转变为体心立方结构。

    (3) 时效初期(1~2h)，析出相短时间内大量析出是合金硬度快速升高的主要原因；时效中期(2~8h)，析出相与铜基体的半共格关系是获得峰时效的主要原因；时效后期(8~16h)，析出相和基体脱离半共格关系，合金发生过时效，硬度降低。

引用本文：

王磊，葛颂，郭鹏伟，等.时效工艺对Cu-1.9Be-0.25Co合金析出行为的影响[J].机械工程材料，2021，45（11）：8-12，23.

WANG L, GE S, GUO P W, et al. Effect of Aging Treatment on Precipitation Behavior of Cu-1.9Be-0.25Co Alloy, 2021, 45（11）: 8-12，23.