超高强度Cu-Cr系原位复合材料的研究

题名:超高强度Cu-Cr系原位复合材料的研究
作者:陈小红
学位授予单位:西安理工大学
关键词:原位复合材料;;抗拉强度;;导电性;;热稳定性;;界面微观组织;;界面结合因子
摘要:

 高脉冲强磁场技术和高速电气化铁路的发展,对磁场导体和电力接触线材料的性能提出了新的要求,需要高强度、高导电性和高导热性的材料,本文开发出的Cu-Cr系原位形变复合材料可以满足上述材料的性能要求。本文采用感应加Neodymium Magnets热熔炼、旋转锻、线拉变形及中间热处理制备了Cu-15Cr-0.1Zr、Cu-15Cr-0.2Zr、Cu-15Cr-0.1Zr-RE三种形变原位复合材料,借助扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)高分辨电镜(HREM)和抗拉强度测试、导电率测试等手段研究了合金化元素Zr、微量的RE元素、应变量、中间退火工艺等对合金组织和性能的影响。以余氏固体与分子经验电子理论和程氏改进的TFD理论为基础,通过对原位复合材料中纤维相和界面的研究,进一步阐释了界面结合因子与界面性能的的关系。主要的研究结果如下：

 采用冷变形结合中间热处理技术研制出新的具有超高强度、高导电、高热稳定性的Cu-15Cr-0.1Zr和Cu-10Cr-0.1Zr原位复合材料,应变量η=6.43时,材料的强度／导电率分别为：1212MPa/71.5%IACS,1096MPa/76.3%IACS,抗软化温度均达550℃。

 合金元素Zr的加入促进Cr的析出,保持了微合金化Cu-15Cr复合材料的高导电性；添加0.1wt%Zr可使Cu-15Cr-0.1Zr的抗拉强度提高约15%；同时,Zr的加入使复合材料的抗软化温度提高了50℃左右。在Cu-15Cr-0.1Zr合金中加入微量的RE会使合金的导电性略有提高,但强度降低。

 合金的铸态组织由Cu基体、粗大的Cr枝晶、少量的Cu-Cr共晶组成。在冷拉拔过程中,热锻并经固溶处理后的Cr相沿拉拔http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets方向伸长,在较低的应变量下纤维保持着与铸态树枝晶相同的bcc单晶结构,在较高的应变量下,单根Cr纤维被分隔为一些由亚晶界组成的亚结构,相邻亚晶的偏差角在5°～30°之间。随着应变量的增大,逐渐形成横截面为弯曲薄片状的Cr纤维,对界面的观察发现,Cu/Cr界面在η=6.43条件下显示完全共格或波纹图衬度。

 对两次中间退火制备的Cu-15Cr-0.1Zr合金的研究发现,中间退火在不严重影响材料强度的同时显著提高了材料的导电率。第一次中间退火对合金的最终性能起关键作用。拉拔至最终尺寸时,第一次中间退火温度为450℃的合金能获得最好的抗拉强度。第一次中间退火温度为500℃的合金能获得最好的导电性能。

 测定了形变Cu-Cr原位复合材料的强度并分析其强化机理,认为是界面作用的结果。可用几何协调位错强化模型和界面位错源强化模型描述。

 对Cu-15Cr-0.1Zr合金的热稳定性研究表明：合金的抗软化温度达到了550℃左右,满足性能指标。合金在400℃～600℃退火,导电率随着退火温度的升高逐渐增大,在600℃达到最大值(约78%IACS),并随着退火温度的继续升高迅速下降。在不同的温度条件下,研究大变形Cu-15Cr-0.1Zr原位复合材料中Cr纤维的断裂行为。用SEM及TEM观察了Cr纤维形态的变化,测定了Cr纤维的断开直径,并进行了数值模拟。观察结果显示,纤维高温下断裂过程是逐步形成空洞、纵向开裂、柱状化、断开和球化。模拟结果表明：纤维断裂受界面扩散控制,并分析了其计算模型,经比较,计算值和实验结果具有很好的一致性。

 对Cu-Cr原位复合材料中的Cu/Cr界面的界面结合因子的计算结果表明：Cu(111)／Cr(110)异相界面的电子密度差Δρ最大,同时该界面电子密度保持连续的原子状态组数σ′也大,其符合更高强度级别的强韧化。
学位年度:2009