退火温度对触变挤出CuSn10P1合金再结晶行为及其相应力学性能的影响

时间：2026年2月10日

来源：Journal of Alloys and Compounds

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CuSn10P1合金通过半固态热挤压成型后，在500-575℃退火过程中，550℃时形成细小等轴晶粒且完全消除残余应力，实现520MPa强度与18.4%延伸率的协同优化；575℃导致晶粒粗化强度下降。研究建立四阶段再结晶机制模型（储能→形核→完全再结晶→晶粒生长），揭示温度对微观组织演变及性能调控规律。

郝晨|杨涛|程欣莉|韩晓

昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明650093

摘要

CuSn10P1合金以其优异的强度和耐磨性而广泛应用于传动部件中，但采用传统铸造方法生产时常常会出现缺陷。半固态触变成形技术为这些问题提供了解决方案。本研究探讨了触变挤压（TE）加工后的CuSn10P1合金在后续再结晶退火过程中的微观结构演变及其力学性能提升。实验中，合金在500°C至575°C的温度范围内进行退火处理，并通过XRD、EBSD和TEM等手段进行了全面表征。550°C时合金发生再结晶，形成了晶粒细小、等轴的微观结构，同时残余应力得到完全释放。这种最佳微观结构实现了优异的强度-韧性平衡，抗拉强度达到520 MPa，伸长率为18.4%。进一步在575°C下退火会导致晶粒粗化，强度下降。我们提出了一种四阶段再结晶机制模型，包括能量储存、形核/生长、完全再结晶和晶粒长大，以解释微观结构的转变过程。研究结果确定了550°C为最佳退火温度，并揭示了微观结构变化的详细机制，为高性能铜合金的热处理设计提供了重要指导。

引言

CuSn10P1合金因其出色的强度和耐磨性被广泛用于轴承和衬套等关键传动部件[1]、[2]。然而，传统的铸造方法容易引入缩孔、微孔和元素偏析等缺陷，从而影响其性能。为克服这些问题，半固态触变成形技术成为一种有前景的替代方案。研究表明，该技术能有效减少液相偏析和缩孔等常见铸造缺陷，显著提升合金的力学性能[3]。

半固态成形技术最初由Flemmings教授在20世纪50年代提出[4]、[5]，主要包括触变成形和流变成形两种方法[6]、[7]、[8]。触变成形是通过将坯料加热至半固态温度范围进行成形，而流变成形则是将熔体冷却至液相线以上至半固态范围进行成形。相比流变成形，触变成形能有效避免因高液相分数导致的浆料飞溅等问题，因此本研究选择了触变成形方法。

成功的触变成形的前提是制备出均匀的半固态浆料。Xiong等人[9]、[10]通过数值模拟和实验验证实现了半固态浆料的均匀温度场和微观结构。Wang等人[11]进一步指出，CuSn10P1合金的固相分数与累积轧制变形和重熔温度密切相关。Zhang等人[3]通过精确控制冷轧变形和等温处理参数，成功制备出了具有优良微观结构和性能的CuSn10P1部件。

一旦获得均匀的微观结构，后续的热机械处理便成为提升性能的关键步骤。研究表明，再结晶退火能有效细化微观结构并改善多种合金的性能，包括镁合金[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、铝合金[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、钛合金[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]以及铜合金[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。Huang等人[44]发现，变形后的锡青铜在达到特定退火温度时开始再结晶。Wang等人[45]、[46]进一步揭示了CuSn10P1合金在热变形过程中的再结晶机制涉及亚晶粒的合并和旋转。

鉴于再结晶退火的简便流程及其显著的性能提升潜力，本研究采用了该技术。我们希望通过精心设计的退火工艺，实现触变挤压加工CuSn10P1合金的优异微观结构和性能提升。