高強高導(dǎo)形變Cu基原位復(fù)合材料研究.pdf

1、微電子、電力、信息、交通及機電等行業(yè)的快速發(fā)展對高強高導(dǎo)形變Cu基原位復(fù)合材料的強度、電導(dǎo)率和塑性提出了更高要求。本文通過合金成分優(yōu)化、熔鑄、大塑性變形及各種熱處理，設(shè)計并制備了Cu-14Fe、Cu-7Cr和Ag微合金化的Cu-14Fe-0.1Ag、Cu-7Cr-0.1Ag四種實驗材料，并采用X射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)等手段觀察和分析了材料的微觀組織結(jié)構(gòu);采用液晶電子拉

2、力試驗機、維氏硬度計、數(shù)字微歐儀等測試和分析了材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。系統(tǒng)研究了Ag微合金化在材料凝固、形變及熱處理過程中的作用及機理，并引入了定向凝固和強磁場處理技術(shù)，詳細(xì)研究了其對材料組織和性能的影響規(guī)律和機制，結(jié)合適當(dāng)?shù)臅r效工藝，對材料的強度、電導(dǎo)率和塑性進行了有效調(diào)控。得出了以下主要研究結(jié)果:
　　鑄態(tài)Cu-Fe合金的Fe相主要以樹枝晶的形態(tài)分布于Cu基體中，Cu-Cr合金的Cr相絕大部分以樹枝晶、少量以細(xì)小的共晶形態(tài)存

3、在于Cu基體中。微量Ag元素加入后，鑄態(tài)Cu-Fe、Cu-Cr合金中的初生相和形變Cu-Fe、Cu-Cr原位復(fù)合材料中的纖維相平均尺寸和間距減小、分布更加均勻。纖維組織的立體形態(tài)為彎曲的薄片狀，其軸向形成過程主要經(jīng)歷了枝晶破碎、顆粒扁化與旋轉(zhuǎn)、纖維搭接與合并、纖維細(xì)化與均勻化等四個階段。
　　提出了分段的強化機制物理模型，當(dāng)冷變形應(yīng)變量較小時，材料的強度符合修正的混合法則σC=σMfM+σXfX，其中σM=σ+k3m1/2X，對形

4、變Cu-14Fe原位復(fù)合材料，當(dāng)η≤5時，k3=52;隨著冷變形應(yīng)變量的增加，材料的強化機制逐漸偏離混合法則，其強度滿足Hall-Perch關(guān)系，對形變Cu-14Fe原位復(fù)合材料，當(dāng)5＜η≤7.8時，具體的強化數(shù)學(xué)模型可表示為σC=108+1299λ-1/2;隨著冷變形應(yīng)變量的進一步提高，材料內(nèi)的位錯密度下降，抗拉強度與纖維平均間距之間逐漸偏離Hall-Perch關(guān)系，其抗拉強度主要由界面障礙強化模型決定。Ag微合金化使形變Cu-14F

5、e、Cu-7Cr原位復(fù)合材料的強度提高。這主要是因為Ag的加入細(xì)化了初生相，使Ag微合金化形變Cu-b.c.c.原位復(fù)合材料在更低的變形量下滿足Hall-Petch關(guān)系，對形變Cu-14Fe-0.1Ag原位復(fù)合材料，當(dāng)4＜η≤7.8時，Ag微合金化的強化數(shù)學(xué)模型可表示為σC=139+1299λ-1/2。
　　通過對不同材料的拉伸斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)，隨著冷變形應(yīng)變量的不斷增加，宏觀上材料的斷口逐漸由杯錐狀向剪切形態(tài)轉(zhuǎn)變;微觀上斷口韌窩

6、尺寸逐漸減小、變淺。微量Ag元素加入后，材料出現(xiàn)上述變化的相應(yīng)冷變形應(yīng)變量提高，表明微量Ag元素的加入將提高形變Cu-b.c.c.原位復(fù)合材料的塑性變形能力。
　　冷變形應(yīng)變量對形變Cu-b.c.c.原位復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響主要由Cu基體和纖維相的界面引起的界面散射電阻率決定。界面散射電阻率的數(shù)學(xué)模型可表示為ρint=-0.09+ kD(d0/d)，對形變Cu-14Fe原位復(fù)合材料而言，kD=0.02。微量Ag元素加入后，在相同的

7、冷變形應(yīng)變量下，形變Cu-14Fe、Cu-7Cr原位復(fù)合材料的電導(dǎo)率均有所上升。微量Ag元素對形變Cu-b.c.c.原位復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響主要是由雜質(zhì)散射電阻率變化引起的。由于Ag元素與Fe/Cr相比，在Cu基體中具有溶解競爭優(yōu)勢，加入后可進一步促進固溶Fe/Cr原子的析出，而且固溶Ag原子對Cu基體電導(dǎo)率的影響要遠遠低于固溶Fe/Cr原子。因此，Ag微合金化可降低雜質(zhì)散射電阻率，從而促使復(fù)合材料的電導(dǎo)率上升。
　　微量Ag元素

8、的加入，有利于第二相纖維的細(xì)化、纖維/基體的界面能降低以及Fe/Cr等原子在基體中擴散系數(shù)的提高，從而導(dǎo)致材料中第二相纖維的熱穩(wěn)定性下降，促使熱處理過程中材料的電導(dǎo)率峰值向低溫方向偏移;有利于加速第二相粒子的時效析出，促使Cu基體在較低溫度下發(fā)生脫溶分解，析出細(xì)小彌散的第二相粒子，從而導(dǎo)致材料的強度峰值向低溫方向偏移。
　　通過Ag微合金化、形變、適當(dāng)?shù)闹虚g熱處理和最終時效處理的協(xié)同作用，對形變Cu-14Fe和Cu-7Cr原位復(fù)合

9、材料的強度、電導(dǎo)率和塑性進行了綜合調(diào)控，形成了一種有效的調(diào)控工藝。采用合適的強磁場預(yù)備熱處理，可提高第二相Fe原子在Cu基體中的擴散系數(shù)，加速過飽和固溶Fe原子的析出，促使第二相Fe枝晶的球化、細(xì)化和均勻化，使形變Cu-Fe原位復(fù)合材料的強度和電導(dǎo)率同時獲得提高;采用適當(dāng)?shù)亩ㄏ蚰烫幚?，有利于鑄態(tài)組織中初生Cr晶粒形成沿抽拉方向排列的方向性，使第二相長棒狀組織的平均尺寸和間距減小、分布更加均勻，從而使形變Cu-Cr原位復(fù)合材料在保持高電

10、導(dǎo)率的同時獲得強度的大幅提升;結(jié)合適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)熱處理，可對材料的強度、電導(dǎo)率和塑性變形能力進行有效調(diào)控。η=7.8的形變Cu-14Fe-0.1Ag原位復(fù)合材料經(jīng)10T強磁場等時時效1h后獲得的較好強度/電導(dǎo)率/斷后伸長率組合主要有1149MPa/60.3％IACS/3.3％、1093MPa/61.9％IACS/3.5％和1006MPa/63.7％IACS/3.7％等;η=8的形變Cu-7Cr-0.1Ag原位復(fù)合材料經(jīng)等時時效1h后獲得的較