超高強度Cu-Cr系原位復(fù)合材料的研究.pdf

1、高脈沖強磁場技術(shù)和高速電氣化鐵路的發(fā)展,對磁場導(dǎo)體和電力接觸線材料的性能提出了新的要求,需要高強度、高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性的材料,本文開發(fā)出的Cu-Cr系原位形變復(fù)合材料可以滿足上述材料的性能要求。本文采用感應(yīng)加熱熔煉、旋轉(zhuǎn)鍛、線拉變形及中間熱處理制備了Cu-15Cr-0.1Zr、Cu-15Cr-0.2Zr、Cu-15Cr-0.1Zr-RE三種形變原位復(fù)合材料,借助掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)高分辨電鏡(HREM)和抗拉強度測試、

2、導(dǎo)電率測試等手段研究了合金化元素Zr、微量的RE元素、應(yīng)變量、中間退火工藝等對合金組織和性能的影響。以余氏固體與分子經(jīng)驗電子理論和程氏改進的TFD理論為基礎(chǔ),通過對原位復(fù)合材料中纖維相和界面的研究,進一步闡釋了界面結(jié)合因子與界面性能的的關(guān)系。主要的研究結(jié)果如下：采用冷變形結(jié)合中間熱處理技術(shù)研制出新的具有超高強度、高導(dǎo)電、高熱穩(wěn)定性的Cu-15Cr-0.1Zr和Cu-10Cr-0.1Zr原位復(fù)合材料,應(yīng)變量η=6.43時,材料的強度/導(dǎo)電

3、率分別為：1212MPa/71.5％IACS,1096MPa/76.3%IACS,抗軟化溫度均達550℃。合金元素Zr的加入促進Cr的析出,保持了微合金化Cu-15Cr復(fù)合材料的高導(dǎo)電性；添加0.1wt%Zr可使Cu-15Cr-0.1Zr的抗拉強度提高約15%；同時,Zr的加入使復(fù)合材料的抗軟化溫度提高了50℃左右。在Cu-15Cr-0.1Zr合金中加入微量的RE會使合金的導(dǎo)電性略有提高,但強度降低。合金的鑄態(tài)組織由Cu基體、粗大的Cr

4、枝晶、少量的Cu-Cr共晶組成。在冷拉拔過程中,熱鍛并經(jīng)固溶處理后的Cr相沿拉拔方向伸長,在較低的應(yīng)變量下纖維保持著與鑄態(tài)樹枝晶相同的bcc單晶結(jié)構(gòu),在較高的應(yīng)變量下,單根Cr纖維被分隔為一些由亞晶界組成的亞結(jié)構(gòu),相鄰亞晶的偏差角在5°～30°之間。隨著應(yīng)變量的增大,逐漸形成橫截面為彎曲薄片狀的Cr纖維,對界面的觀察發(fā)現(xiàn),Cu/Cr界面在η=6.43條件下顯示完全共格或波紋圖襯度。對兩次中間退火制備的Cu-15Cr-0.1Zr合金的研究

5、發(fā)現(xiàn),中間退火在不嚴重影響材料強度的同時顯著提高了材料的導(dǎo)電率。第一次中間退火對合金的最終性能起關(guān)鍵作用。拉拔至最終尺寸時,第一次中間退火溫度為450℃的合金能獲得最好的抗拉強度。第一次中間退火溫度為500℃的合金能獲得最好的導(dǎo)電性能。測定了形變Cu-Cr原位復(fù)合材料的強度并分析其強化機理,認為是界面作用的結(jié)果。可用幾何協(xié)調(diào)位錯強化模型和界面位錯源強化模型描述。對Cu-15Cr-0.1Zr合金的熱穩(wěn)定性研究表明：合金的抗軟化溫度達到了5

6、50℃左右,滿足性能指標。合金在400℃～600℃退火,導(dǎo)電率隨著退火溫度的升高逐漸增大,在600℃達到最大值(約78%IACS),并隨著退火溫度的繼續(xù)升高迅速下降。在不同的溫度條件下,研究大變形Cu-15Cr-0.1Zr原位復(fù)合材料中Cr纖維的斷裂行為。用SEM及TEM觀察了Cr纖維形態(tài)的變化,測定了Cr纖維的斷開直徑,并進行了數(shù)值模擬。觀察結(jié)果顯示,纖維高溫下斷裂過程是逐步形成空洞、縱向開裂、柱狀化、斷開和球化。模擬結(jié)果表明：纖維斷