0 引言

现代科技的飞速发展，对导电材料也提出了更高的要求，希望导电材料既具有高导电性，又具有高强度和耐高温性能。纯铜和现有铜合金在高导电率和高强度方面难以兼顾，也难以满足更高的性能要求^[1]。如何在不降低导电率的前提下，大幅度提高导电材料的强度，一直是当前高性能铜合金研究和开发的中心任务之一。实验证明，对于采用机械球磨制粉→冷压制坯→高温烧结→热挤压的亚微米晶Cu-5%Cr导电材料，通过冷拉拔变形以及随后的退火工艺来细化晶粒尺寸，可以大幅度提高合金的强度和导电性能，获得性能优异的导电材料。然而在对这种亚微米晶Cu-5%Cr材料的冷拉拔的变形过程中常出现断丝现象。笔者针对Cu-5%Cr丝材断丝原因进行检验分析，对正确制定拉拔工艺，避免丝材在加工过程中断裂有着重要的意义。

1 实验材料及检测方法

实验采用直径为2.40mm的Cu-5 %Cr丝材进行冷拉拔处理，选用硬质合金拉丝模。冷变形过程中还需进行退火处理，以有效的消除由加工硬化带来的内应力，也可以完全消除加工硬化效果，获得细小的再结晶晶粒，从而得到较好的组织和性能。实验取拉拔断口进行分析测试，采用S-4700型扫描电镜观察拉拔断口形貌。

2 实验结果及分析 2.1 断口形貌及断丝原因分析

沿断裂样品轴向剖开，宏观可见剖面中心区域存在数量较多的“V”形孔隙，图 1为断裂丝材纵剖面中心空隙特征简图。图 2为Cu-5%Cr丝材宏观断口形貌，本实验Cu-5%Cr丝材的断口为典型的杯锥状断口，断裂机制是微孔聚集型。杯锥状断口的两个断口面中，一个呈锥形，另一个呈杯状，而且杯状面都很深。从宏观断口和芯部观察可知，裂纹源是拉拔变形时在Cu-5%Cr丝材芯部产生，并在拉拔过程中逐步扩展的

图 3所示为Cu-5%Cr丝材拉拔断口的微观组织扫描照片。图中为典型的韧窝断口，即在断口上布满了微坑，而且在微坑处还会有第二相Cr质点或质点的痕迹(见图 3中箭头所示)，说明裂纹首先出现在Cu-Cr丝材芯部Cu基体和第二相Cr粒子相界面上，二者变形的不协调最终导致微观裂纹的产生，并且沿着切应力的方向成“V”形发展。

微孔形成的部位可能是在剧烈变形的滑移带内，变形极不协调的两个或3个晶粒之间的晶界处以及基体和第二相质点的界面处。由于基体和第二相质点的弹性和塑性都相差较大，当发生塑性变形时，在基体和第二相之间出现了塑性变形的不协调。当基体已产生足够量的塑性变形时，第二相质点还没产生塑性变形。两相之间出现了塑性应变差，当这种应变差足够大时，便导致界面开裂。事实上，当质点周围的金属塑性变形时，由于质点对位错运动的阻碍，位错只能绕过质点运动并在质点周围留下位错圈^[2]。随着塑性变形量的增加，质点周围积累的位错圈数不断增加，从而在质点周围形成位错塞积群，这个塞积群的顶端位于质点与基体的界面处。塞积群顶端的应力集中随着塞积群中位错数目的增加(也就是质点周围基体金属塑性变形量的增加)而增加，当在塞积群顶端所形成的应力值达到基体与第二相之间界面的结合强度时，界面便被拉开，从而形成初始的裂纹。

出现裂纹敏感性的原因：一是丝材中存在大量细小而弥散的第二相Cr；另一个是裂纹顶端的应力和应变特性。即由于其屈服强度较高，应力集中使裂纹顶端的应力值升高，而且裂纹顶端的塑性区较小，当外加应力尚未达到其屈服强度时，裂纹顶端塑性区内的第二相质点周围可能形成微孔，并且由于裂纹顶端应力值高，微孔很容易长大。又因为细小而弥散的第二相间距很小，形成的微孔离裂纹顶点较近，因此当微孔长大时，极易与裂纹顶点相连通，导致裂纹起裂。由于裂纹顶端塑性区较小，裂纹向前扩展的阻力较小，裂纹会沿着最大切应力方向扩展，最大切应力与外加载荷呈45°，就很容易产生失稳扩展，而在纵向截面上看到“V”形裂纹。由于断裂应力低于屈服强度，丝材中远离裂纹的部分不可能产生塑性变形，因此断裂是宏观脆性的。

此外，根据对金属在锥形拉丝模模孔内的变形与流动规律的研究可知，在拉拔过程中周边金属流动速度小于中心层，并且随拉丝模入口角、摩擦系数的增大，这种不均匀流动更加明显。由于拉拔工艺变差(丝材表面质量不良、润滑剂性能差、拉丝模内壁粗糙)，导致摩擦系数增加，丝材内外不均匀变形加剧，致使拉应力超过了芯部抗拉强度，裂纹在芯部微小的缺陷处产生。若在裂纹扩展的过程中Cr相不能钉扎住裂纹，基体组织均匀，裂纹发展非常迅速且规则，于是产生了所看到的杯锥断口。

2.2 预防断丝的措施

Cu-5%Cr丝材拉拔断丝的根本原因是丝材芯部组织缺陷和丝材拉拔过程中芯部与外层的不均匀变形共同作用的结果。改善拉拔工艺，降低拉拔摩擦系数能减少杯锥断口的产生。

(1) 去除氧化皮。由于拉拔各道次间有退火处理，丝材表面会生成氧化皮。氧化皮性能较脆，若不预先去除，在拉拔过程中会首先断裂而成为丝材断裂的裂纹源。因此，退火后去除氧化皮进行丝材预处理有着重要的意义。从环保角度和操作条件的改善上来看，采用机械的方法去除表面氧化皮来代替化学酸洗法是可行的^[3]。通过几组互成90℃的弯曲辊，辅以相应的钢丝刷，可以达到基本去除氧化皮的目的。

(2) 润滑丝材表面。润滑载体的作用是, 以尽可能薄的润滑剂薄膜，顺利的带入拉丝模孔内，润滑不允许中断，以避免丝材在拉丝模孔内发生粘附现象，导致拉拔温度升高，容易造成断裂。在钢丝拉拔过程中，当润滑效果不好时，钢丝与模孔内壁摩擦系数将会增大，这将大大增加拉拔力和钢丝表面的附加拉应力，而引起钢丝断口呈“不规则型”^[4]。拉拔润滑剂应满足拉拔工艺、经济与环保等方面的要求。对于Cu-Cr冷拉拔变形，采用普通的皂类润滑剂和石蜡油均可。

(3) 合理的变形量。由于加工硬化，丝材的强度总是随着变形量的增大而升高，同时其塑性则下降。采用较大的变形量可以提高生产效率、降低成本，但同时也要考虑较大的变形量会带来丝材塑性和韧性的恶化；应避免在丝材中心产生裂口“过拉拔”的现象。实践表明，拉拔压缩率的分配方式采用第一道最小，第二道最大，以后逐渐减小的方式最佳^[5]。

(4) 选择合适的拉丝模具。拉丝模的加工参数对Cu-5%Cr丝材拉拔性能有很大的影响。丝材在拉拔时，拉丝模的工作锥角越大，则摩擦系数越高，同时会导致在丝材截面上应力不均匀分布的情况越严重和变形不均匀程度越大，从而造成丝材机械性能不均匀程度越大，残余应力也越大，最终使得丝材性能恶化。具体的模具应在实际生产中逐渐摸索。此外，应注意钢丝通过模盒入口孔、模孔、模盒出口孔到达卷筒应成一直线。

3 结论

(1) 丝材的拉伸断口呈杯、锥状，SEM观察为韧窝断口，属于微孔聚集型断裂。

(2) 微孔形成的部位是在剧烈变形的滑移带内，变形极不协调的两个或3个晶粒之间的晶界处以及基体和第二相质点的界面处。而丝材中存在的大量细小弥散的第二相、裂纹顶端的应力和应变特性是裂纹扩展的主要原因。

(3) 丝材在生产过程中，润滑不良、道次压缩比过大、设备原因等也能造成裂纹。去除氧化皮、选用合适的润滑剂润滑丝材表面、合适的压缩比以及选用适合的拉丝模具可以大大的减少Cu-5%Cr丝材在拉拔时的断丝现象。