轧制程度如何改变纯锡的晶粒结构与强度韧性？

摘要

纯锡因其优异的塑性和低熔点，广泛应用于包装和焊接领域。本研究旨在探究不同轧制变形量（即压薄程度）对纯锡内部晶粒结构和硬度、强度、塑性等力学性能的影响。实验采用高纯度铸态纯锡，在室温下通过轧机施加3种不同的变形量（17.6%,35.3%,52.9%）。利用扫描电子显微镜（SEM）及其电子背散射衍射（EBSD）技术详细观察了轧制后晶粒的尺寸、形态和取向变化；同时使用硬度计和万能试验机测量了材料的硬度和拉伸性能（强度和延伸率）。主要研究发现：（1）晶粒显著细化：随着轧制变形量的增加，纯锡内部发生了明显的动态再结晶过程。这个过程如同材料的“自我重组”，导致原始粗大的晶粒被破碎并转变为细小的新晶粒。变形量越大，动态再结晶越充分，晶粒细化效果越显著。在52.9%变形量下，组织几乎完全由细小均匀的再结晶晶粒组成。（2）硬度与强度下降：与未轧制的铸态纯锡相比，即使经过17.6%的轧制，纯锡的硬度和拉伸强度也出现下降。并且，变形量越大，硬度降低得越多。这种“软化”现象主要是由于动态再结晶过程消耗了晶粒内部的位错等缺陷（这些缺陷通常是材料硬化和强化的来源）。（3）塑性变化复杂：在较低变形量（17.6%）下，纯锡的拉伸应变（塑性变形能力）略有提升，可能与部分细化的晶粒有关。然而，当变形量继续增大（35.3%和52.9%）时，拉伸应变反而下降，材料断裂时表现出脆性特征。这是因为较大的塑性变形导致材料内部产生了应力集中区域，降低了其整体塑性变形能力。因此轧制加工能有效细化纯锡的晶粒，但同时会显著降低其硬度和强度。虽然轻微轧制可能略微改善塑性，但过大的变形量反而会损害其韧性，使其更容易脆断。理解轧制变形量与纯锡组织性能之间的这种关联，对于优化其加工工艺和应用性能至关重要。

基金资助

西安工程大学博士科研启动金项目（107020535）