Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University111210.18323/2782-4039-2025-3-73-5ArticlesСтатьиResearch ArticleSpecial aspects of microstructure formation in Cu–Cr–Zr–Y bronze under low-temperature friction stir processingОсобенности формирования микроструктуры в Cu–Cr–Zr–Y бронзе в условиях низкотемпературной обработки трением с перемешиваниемhttps://orcid.org/0000-0002-5417-9857NikitinIvan S.НикитинИван Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), junior researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys

кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов

nikitin_i@bsuedu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7534-0542KalinenkoAleksandr A.КалиненкоАлександр Андреевич
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), junior researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys

кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов

kalinenko@bsuedu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9145-3723MalopheyevSergey S.МалофеевСергей Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов

malofeev@bsuedu.ruMironovSergey Yu.МироновСергей Юрьевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), leading researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов

mironov@bsuedu.ruBodyakovaAnna I.БодяковаАнна Игоревна
Russian Federation

PhD (Physics and Mathematics), researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов

morozova_ai@bsuedu.ruBelgorod State UniversityБелгородский государственный национальный исследовательский университет30092025367803009202530092025Copyright ©; 2025, Nikitin I.S., Kalinenko A.A., Malopheyev S.S., Mironov S.Yu., Bodyakova A.I.Copyright ©; 2025, Никитин И.С., Калиненко А.А., Малофеев С.С., Миронов С.Ю., Бодякова А.И.2025Nikitin I.S., Kalinenko A.A., Malopheyev S.S., Mironov S.Yu., Bodyakova A.I.Никитин И.С., Калиненко А.А., Малофеев С.С., Миронов С.Ю., Бодякова А.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/1112

The use of friction stir treatment (FST) to modify the physical and mechanical properties of age-hardenable low-alloyed bronzes is a promising and at the same time complex task due to the wide temperature range of its implementation. The difficulty is that friction stir treatment of bronzes can result in the formation of fundamentally different types of microstructures with a wide range of grain sizes and various combinations of types of strengthening phases and their various morphologies. Moreover, options are possible when friction stir treatment leads to degradation of properties of bronzes. A favorable combination of properties can be achieved by low-temperature friction stir treatment. In this work, the main microstructural changes in promising Cu–Cr–Zr–Y bronze were analyzed during low-temperature friction stir treatment with a tool rotation speed of 1000 rpm and a feed rate of 25 mm/min (ensuring a temperature in the stir zone of ≈350 °C). Scanning electron microscopy and EBSD analysis revealed the mechanisms of formation of an ultrafine-grained structure with predominantly high-angle boundaries, as well as the development of two types of simple shear crystallographic textures. It is shown that the Cux(Y,Zr) phase observed in the initial structure can undergo mechanical destruction or retain its geometric parameters depending on its initial morphology and location. It is shown for the first time that excess Cr particles (the equilibrium fraction at the heating temperature for quenching) may not be destroyed, but plastically deformed with a strong change in their morphology. During friction stir treatment of the bronze under study, particles of a new Y-containing phase are released. The paper considered the relationship of the distribution of microhardness and electrical conductivity and the observed changes in the microstructure of a new promising material.

Применение обработки трением с перемешиванием (ОТП) для модификации физических и механических свойств термически упрочняемых низколегированных бронз является перспективной и одновременно сложной задачей по причине широкого температурного интервала его осуществления. Сложность в том, что в результате ОТП бронз могут формироваться кардинально разные типы микроструктур с широким диапазоном размеров зерен и различным сочетанием типов упрочняющих фаз и их разнообразных морфологий. Более того, возможны варианты, при которых ОТП приводит к деградации свойств бронз. Благоприятное сочетание свойств может быть достигнуто в результате осуществления низкотемпературной ОТП. В рамках работы проведен анализ основных микроструктурных изменений перспективной Cu–Cr–Zr–Y бронзы при ОТП со скоростью вращения инструмента 1000 об/мин и скоростью подачи 25 мм/мин (обеспечивающих температуру в зоне перемешивания ≈350 °С) – низкотемпературной ОТП. Методами растровой электронной микроскопии и EBSD-анализа выявлены механизмы формирования ультрамелкозернистой структуры с преимущественно большеугловыми границами, а также развитие двух типов кристаллографических текстур простого сдвига. Показано, что фаза Cux(Y,Zr), наблюдающаяся в исходной структуре, может претерпевать механическое разрушение или же сохранять геометрические параметры в зависимости от своей исходной морфологии и расположения. Впервые показано, что избыточные частицы Cr (равновесная доля при температуре нагрева под закалку) могут не разрушаться, а пластически деформироваться с сильным изменением своей морфологии. При ОТП исследуемой бронзы происходит выделение частиц новой Y-содержащей фазы. Рассмотрена взаимосвязь распределения микротвердости и электропроводности с наблюдаемыми изменениями микроструктуры в новом перспективном материале.

friction stir processinglow-alloyed bronzesrecrystallizationsecondary phaseselectrical conductivityобработка трением с перемешиваниемнизколегированные бронзырекристаллизациявторичные фазыэлектропроводностьThe study was supported by grant No. 24-29-00628 from the Russian Science Foundation (https://rscf.ru/project/24-29-00628/) using the equipment of the Common Use Center “Technology and materials of BSU”.Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00628 (https://rscf.ru/project/24-29-00628/) с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Технологии и Материалы НИУ "БелГУ"».Makarov A.V., Lezhnin N.V., Kotelnikov A.B., Vopneruk A.A., Korobov Yu.S., Valiullin A.I., Volkova E.G. Restoration of continuous casting machine mold copper plates made of Cr-Zr bronze using multi-pass friction stir lap welding. Izvestiya. Non-Ferrous Metallurgy, 2023, vol. 29, no. 6, pp. 66–83. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-6-66-83.Макаров А.В., Лежнин Н.В., Котельников А.Б., Вопнерук А.А., Коробов Ю.С., Валиуллин А.И., Волкова Е.Г. Восстановление стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок из хромоциркониевой бронзы методом многопроходной сварки трением с перемешиванием // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2023. T. 29. № 6. С. 66–83. DOI: 10.17073/0021-3438-2023-6-66-83.Bodyakova A.I., Chistyukhina E.I., Tkachev M.S., Malofeev S.S., Kaibyshev R.O. Effect of Friction Stir Processing on the Structure and Properties of the Low-Doped Cu–Cr–Zr Alloy. Physics of Metals and Metallography, 2024, vol. 125, no. 11, pp. 1192–1200. DOI: 10.1134/S0031918X24601677.Bodyakova A.I., Chistyukhina E.I., Tkachev M.S., Malofeev S.S., Kaibyshev R.O. Effect of Friction Stir Processing on the Structure and Properties of the Low-Doped Cu–Cr–Zr Alloy // Physics of Metals and Metallography. 2024. Vol. 125. № 11. P. 1192–1200. DOI: 10.1134/S0031918X24601677.Bodyakova A., Malopfeev S., Tkachev M., Chistyukhina E., Mironov S., Lezhnin N., Fu Y., Makarov A., Kaibyshev R. Effect of friction-stir processing and subsequent aging treatment on microstructure and service properties of Cu-Cr-Zr alloy. Materials Characterization, 2024, vol. 216, article number 114225. DOI: 10.1016/j.matchar.2024.114225.Bodyakova A., Malopfeev S., Tkachev M., Chistyukhina E., Mironov S., Lezhnin N., Fu Y., Makarov A., Kaibyshev R. Effect of friction-stir processing and subsequent aging treatment on microstructure and service properties of Cu-Cr-Zr alloy // Materials Characterization. 2024. Vol. 216. Article number 114225. DOI: 10.1016/j.matchar.2024.114225.Wang Y.D., Liu M., Yu B.H., Wu L.H., Xue P., Ni D.R., Ma Z.Y. Enhanced combination of mechanical properties and electrical conductivity of a hard state Cu-Cr-Zr alloy via one-step friction stir processing. Journal of Materials Processing Technology, 2021, vol. 288, article number 116880. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116880.Wang Y.D., Liu M., Yu B.H., Wu L.H., Xue P., Ni D.R., Ma Z.Y. Enhanced combination of mechanical properties and electrical conductivity of a hard state Cu-Cr-Zr alloy via one-step friction stir processing // Journal of Materials Processing Technology. 2021. Vol. 288. Article number 116880. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116880.Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Frolova N.Y., Abdullina D.N., Kheifets A.E. Investigation of Cu5Zr particles precipitation in Cu-Zr and Cu-Cr-Zr alloys subjected to quenching and high strain rate deformation. Letters on Materials, 2019, vol. 9, no. 4, pp. 400–404. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-400-404.Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Frolova N.Y., Abdullina D.N., Kheifets A.E. Investigation of Cu5Zr particles precipitation in Cu-Zr and Cu-Cr-Zr alloys subjected to quenching and high strain rate deformation // Letters on Materials. 2019. Vol. 9. № 4. P. 400–404. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-400-404.Ma Yuxia, Chen Huiqin, Li Hui, Dang Shue. Influence Mechanism of Ageing Parameters of Cu-Cr-Zr Alloy on Its Structure and Properties. Materials, 2022, vol. 15, no. 21, article number 7605. DOI: 10.3390/ma15217605.Ma Yuxia, Chen Huiqin, Li Hui, Dang Shue. Influence Mechanism of Ageing Parameters of Cu-Cr-Zr Alloy on Its Structure and Properties // Materials. 2022. Vol. 15. № 21. Article number 7605. DOI: 10.3390/ma15217605.Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Abdullina D.N., Shorokhov E.V. The Effect of Chromium and Zirconium Alloying on the Structure and Properties of Submicrocrystalline Copper Alloys Obtained by Dynamic Channel-Angular Pressing. Physics of Metals and Metallography, 2024, vol. 125, no. 10, pp. 1156–1165. DOI: 10.1134/s0031918x24601434.Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Abdullina D.N., Shorokhov E.V. The Effect of Chromium and Zirconium Alloying on the Structure and Properties of Submicrocrystalline Copper Alloys Obtained by Dynamic Channel-Angular Pressing // Physics of Metals and Metallography. 2024. Vol. 125. № 10. P. 1156–1165. DOI: 10.1134/s0031918x24601434.Li Yijun, Zhang Jinghua, Fu Ruidong, Wang Jungao, Lv Hongyan, Xing Haizhi. Synergistic improvement of strength and electrical conductivity in Cu–Cr–Zr alloys through prestrain-assisted friction stir processing. Journal of Materials Research and Technology, 2023, vol. 27, pp. 564–573. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.09.262.Li Yijun, Zhang Jinghua, Fu Ruidong, Wang Jungao, Lv Hongyan, Xing Haizhi. Synergistic improvement of strength and electrical conductivity in Cu–Cr–Zr alloys through prestrain-assisted friction stir processing // Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 27. P. 564–573. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.09.262.Li Hai-hong, Sun Xue-qin, Zhang Shang-zhou, Zhao Qin-yi, Wang Guang-zhen. Application of rare-earth element Y in refining impure copper. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials, 2015, vol. 22, no. 5, pp. 453–459. DOI: 10.1007/s12613-015-1093-z.Li Hai-hong, Sun Xue-qin, Zhang Shang-zhou, Zhao Qin-yi, Wang Guang-zhen. Application of rare-earth element Y in refining impure copper // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2015. Vol. 22. № 5. P. 453–459. DOI: 10.1007/s12613-015-1093-z.Duisemaliev T.U., Duisemaliev U.K. Solubility of yttrium in copper and its effect on the properties of leaded brasses. Metal Science and Heat Treatment, 1993, vol. 35, no. 12, pp. 673–676. DOI: 10.1007/BF00707636.Duisemaliev T.U., Duisemaliev U.K. Solubility of yttrium in copper and its effect on the properties of leaded brasses // Metal Science and Heat Treatment. 1993. Vol. 35. № 12. P. 673–676. DOI: 10.1007/BF00707636.Okamoto H. Cu-Y (Copper-Yttrium). Journal of Phase Equilibria, 1992, vol. 13, no. 1, pp. 102–103. DOI: 10.1007/BF02645393.Okamoto H. Cu-Y (Copper-Yttrium) // Journal of Phase Equilibria. 1992. Vol. 13. № 1. P. 102–103. DOI: 10.1007/BF02645393.Liang Dong, Wang Ning, Wang Yuxiang, Liu Zhenjie, Fu Ying. Effects of Zr, Y on the Microstructure and Properties of As-Cast Cu-0.5Y-xZr (wt.%) Alloys. Metals, 2019, vol. 9, no. 10, article number 1084. DOI: 10.3390/met9101084.Liang Dong, Wang Ning, Wang Yuxiang, Liu Zhenjie, Fu Ying. Effects of Zr, Y on the Microstructure and Properties of As-Cast Cu-0.5Y-xZr (wt.%) Alloys // Metals. 2019. Vol. 9. № 10. Article number 1084. DOI: 10.3390/met9101084.Zel’dovich V.I., Frolova N.Y., Khomskaya I.V., Kheifets A.E., Dobatkin S.V., Shorokhov E.V., Nasonov P.A. Mechanical properties and the structure of chromium–zirconium bronze after dynamic channel-angular pressing and subsequent aging. Physics of Metals and Metallography, 2016, vol. 117, no. 1, pp. 74–82. DOI: 10.1134/S0031918X16010129.Зельдович В.И., Добаткин С.В., Фролова Н.Ю., Хомская И.В., Хейфец А.Э., Шорохов Е.В., Насонов П.А. Механические свойства и структура хромоциркониевой бронзы после динамического канально-углового прессования и последующего старения // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 1. С. 79–87. DOI: 10.7868/S0015323016010125.Chakrabarti D.J., Laughlin D.E. The Cr-Cu (Chromium-Copper) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1984, vol. 5, no. 1, pp. 59–68. DOI: 10.1007/BF02868727.Chakrabarti D.J., Laughlin D.E. The Cr-Cu (Chromium-Copper) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1984. Vol. 5. № 1. P. 59–68. DOI: 10.1007/BF02868727.Fonda R.W., Knipling K.E. Texture development in friction stir welds. Science and Technology of Welding and Joining, 2011, vol. 16, no. 4, pp. 288–294. DOI: 10.1179/1362171811Y.0000000010.Fonda R.W., Knipling K.E. Texture development in friction stir welds // Science and Technology of Welding and Joining. 2011. Vol. 16. № 4. P. 288–294. DOI: 10.1179/1362171811Y.0000000010.Mishin V., Shishov I., Kalinenko A., Vysotskii I., Zuiko I., Malopheyev S., Mironov S., Kaibyshev R. Numerical Simulation of the Thermo-Mechanical Behavior of 6061 Aluminum Alloy during Friction-Stir Welding. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2022, vol. 6, no. 4, article number 68. DOI: 10.3390/jmmp6040068.Mishin V., Shishov I., Kalinenko A., Vysotskii I., Zuiko I., Malopheyev S., Mironov S., Kaibyshev R. Numerical Simulation of the Thermo-Mechanical Behavior of 6061 Aluminum Alloy during Friction-Stir Welding // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2022. Vol. 6. № 4. Article number 68. DOI: 10.3390/jmmp6040068.Arias D., Abriata J.P. Cu-Zr (Copper-Zirconium). Journal of Phase Equilibria, 1990, vol. 11, no. 5, pp. 452–459. DOI: 10.1007/BF02898260.Arias D., Abriata J.P. Cu-Zr (Copper-Zirconium) // Journal of Phase Equilibria. 1990. Vol. 11. № 5. P. 452–459. DOI: 10.1007/BF02898260.Bourezg Y.I., Abib K., Azzeddine H., Bradai D. Kinetics of Cr clustering in a Cu-Cr-Zr alloy processed by equal-channel angular pressing: A DSC study. Thermochimica Acta, 2020, vol. 686, article number 178550. DOI: 10.1016/j.tca.2020.178550.Bourezg Y.I., Abib K., Azzeddine H., Bradai D. Kinetics of Cr clustering in a Cu-Cr-Zr alloy processed by equal-channel angular pressing: A DSC study // Thermochimica Acta. 2020. Vol. 686. Article number 178550. DOI: 10.1016/j.tca.2020.178550.Dölling J., Kracun S.F., Prahl U., Fehlbier M., Zilly A. A Comparative Differential Scanning Calorimetry Study of Precipitation Hardenable Copper-Based Alloys with Optimized Strength and High Conductivity. Metals, 2023, vol. 13, no. 1, article number 150. DOI: 10.3390/met13010150.Dölling J., Kracun S.F., Prahl U., Fehlbier M., Zilly A. A Comparative Differential Scanning Calorimetry Study of Precipitation Hardenable Copper-Based Alloys with Optimized Strength and High Conductivity // Metals. 2023. Vol. 13. № 1. Article number 150. DOI: 10.3390/met13010150.Venghaus H., Chiumenti M., Baiges J., Juhre D., Dialami N. Embedded technology for enhanced modeling of Friction Stir Welding processes. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2025, vol. 435, article number 117539. DOI: 10.1016/j.cma.2024.117539.Venghaus H., Chiumenti M., Baiges J., Juhre D., Dialami N. Embedded technology for enhanced modeling of Friction Stir Welding processes // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2025. Vol. 435. Article number 117539. DOI: 10.1016/j.cma.2024.117539.