基于纳米压痕技术测量锡青铜α相力学性能研究取得进展

锡青铜（Cu-Sn）二元合金是人类较早使用的合金材料之一，为人类文明的发展起到了重要的作用。从古代到现代制造工业，锡青铜已经被研究了数千年。根据Cu-Sn二元合金相图，典型的锡青铜在室温下的铸造组织由先凝固的树枝状α相和富锡的（α+δ）共析相组成。锡青铜的力学性能主要受Sn元素的影响，从而可以通过准确的控制Sn含量获得理想力学性能的青铜合金。近年来有学者意识到α相树枝晶对Cu-Sn二元合金的力学性能有着重要影响。但是，α相树枝晶直径一般在数微米至数十微米之间，由于边界效应和基底效应的影响，常规的测试仪器，例如布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计等一般很难准确获得α相树枝晶的硬度和弹性模量。如何准确获α相树枝晶的硬度和弹性模量是一个极具挑战的课题。

最近，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组的博士生李洋、廖成伟和硕士生何康等人，利用纳米压痕技术系统研究了Cu-Sn合金中Sn含量在6%-24%范围内，Sn含量的变化对α相的硬度和弹性模量的影响。研究结果已经被 Journal of Materials Research 接受，将在近期发表。

研究结果主要有：（1）铸造锡青铜α相的硬度受Sn含量变化的影响，当Sn含量低于Sn在Cu中的最大固溶度时（15.8 wt.%），硬度随Sn含量增加线性增大，固溶强化现象很好的符合Friedel-Mott-Suzuki理论，并得到硬度随Sn含量变化的经验公式：H = 0.0757 C + 0.8916；当Sn含量高于Sn在Cu中的最大固溶度时，硬度不随Sn含量的增加而明显增大；对于Sn含量大于（或等于）24%的锡青铜，由于显微组织发生了显著变化，使其硬度的测试值较真实值偏大；（2）不同Sn含量锡青铜α相的弹性模量变化很小，即在120-130 GPa的范围内波动，主要受铸造过程中不同α树枝晶晶体取向的影响。上述结果，为进一步应用锡青铜合金及分析古代青铜遗物提供了重要的理论依据。

这项工作得到了武汉大学新兴交叉科学研究项目的支持。

文章连接：

“Measurements of mechanical properties of α-phase in Cu–Sn alloys by using instrumented nanoindentation”

FIG. 1. Image of nanoindentation upon the α-phase in Cu–Sn alloys(Arrows indicate nanoindentations)

FIG. 2. Relationship between ha  rdness and Sn content of the α-phase in Cu–Sn alloys.

FIG. 3. Relationship between Young’s modulus and Sn content of the α-phase in Cu–Sn alloys.