论文部分内容阅读
Cu-Cr-Zr系合金是一种典型的时效强化型合金,由于其具有高强度、良好的导电、导热等性能,广泛的应用于航空航天、电子电气、交通运输、新能源等领域。研究表明,在Cu-Cr合金中添加微量的Zr后,由于Cr与Zr之间存在交互作用,会使合金在时效过程中析出更加细小的Cr相和富Zr相,提高合金的强度。虽然目前关于Cu-Cr-Zr合金组织与性能的研究较多,对合金时效析出行为的研究也有一些结论。但是,时效过程中Cr与Zr交互作用机制尚不十分清楚。本文以上述背景为立题依据,采用结合试验结果-数据分析-理论研究的方法对Cu-Cr-Zr合金中Cr与Zr的交互作用机制进行了系统的研究。通过测定一系列Cu-Cr、Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度和电导率,采用函数拟合和双因素试验的方差分析方法探明了Cu-Cr-Zr合金中Cr与Zr的交互作用方式。通过对Cu-Cr. Cu-Zr及Cu-Cr-Zr合金时效过程中析出相演变规律的研究,确定Cu-Cr-Zr合金中Cr与Zr交互作用的微观机制。通过对不同Cr、Zr含量的Cu-Cr, Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金的抗拉强度和电导率进行函数拟合和双因素试验方差分析,得到Cu-Cr和Cu-Zr合金在450-C时效,由每0.1at.%的Cr、Zr原子引起的强度增量分别为：16.27MPa和48.09MPa,相应的表达式为σcr=233.0+162.7Xcr和σZr=233.0+480.9Yzr;而每0.1at.%的Cr Zr原子引起合金电导率的降低值分别为：0.81%IACS和7.15%IACS,相应的表达式为λCr=100-8.1Xcr和λZr=100-71.5Yzr。由于Cu-Cr-Zr合金中Cr与Zr之间存在正向交互作用,使得Cu-Cr-Zr合金在450℃时效时,合金的极限强度、最大电导率分别大于对应相同Cr、 Zr含量引起的强度增值与纯铜强度的叠加和Cr、Zr引起的电导率降低量与纯铜电导率的叠加,且前后两者强度的差值约为5-25MPa,电导率的差值约为0.5-3%IACS.同时,还获得一种Cu-XCrCr-YzrZr (Xcr≤0.87at.%, YZr≤0.12at.%)合金经450℃时效处理后极限强度和最大电导率的估算表达式分别为σ=233.0+162.7Xcr+480.9YZr+64.9XcrYZr1/3MPa, λ100-8.1Xcr-71.5Yzr+8.94XcrYzrl/3%IACS,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段研究了Cu-Cr-Zr系合金的铸态组织及均匀化过程中组织演变规律和物理、机械性能变化,发现Cu-Cr合金的铸态组织主要由网状的Cr枝晶和基体组成;Cu-Zr合金的铸态组织主要由共晶组织和基体组成,其中共晶组织是由基体和层片状的Cu5Zr相组成；而Cu-Cr-Zr合金的铸态组织是Cu-Cr和Cu-Zr两种合金铸态组织的叠加,并没有发现Cr2Zr相。在Cu-Cr-Zr合金的均匀化退火过程中,存在两个相变过程,即共晶组织的溶解和Cr相的析出。随着均匀化退火温度的升高和时间的延长,共晶组织逐渐溶解,Cr相的析出体积分数逐渐减小,合金的维氏硬度呈先降低后增加,最后趋于稳定的趋势：而合金的电导率则呈相反的规律,先增加而后下降。通过实验得出合理的均匀化退火制度为900℃×12h。研究了Cu-Zr合金的时效析出行为和强化机制。研究结果表明,固溶态Cu-Zr合金在450℃、500℃时效的维氏硬度与时效时间的关系曲线均呈单峰型,而合金电导率与时效时间的关系曲线呈先增大后趋于稳定的趋势。Cu-Zr合金在450℃时效的析出序列为：过饱和固溶体→Zr的原子团簇→与基体半共格的Cu5Zr相。面心立方结构的Cu5Zr相与基体的取向关系为[112]cu||[011]Cu5Zr,(111)cu||(111)Cu5Zr。通过沿不同晶带轴对析出相形貌的观察,得出Cu5Zr相的真实形貌为具有一定厚度的圆盘状析出物,且沿基体的{111}cu面析出。利用Orowan强化机制估算的屈服强度值167.4MPa与试验结果169.1MPa相近。研究了Cu-Cr和Cu-Cr-Zr合金的时效析出行为及析出相与基体的取向关系。研究结果表明,固溶态Cu-Cr和Cu-Cr-Zr合金在450℃、500℃时效的抗拉强度与时效时间的关系曲线均呈单峰型。固溶态Cu-Cr和Cu-Cr-Zr合金450℃、500℃时效的电导率与时效时间的关系曲线均呈先剧增,后缓慢增加趋于稳定的趋势。Cu-Cr和Cu-Cr-Zr合金450℃的时效过程中Cr相的析出系列为：过饱和固溶体→G.P区→f.c.c Cr相→有序化→b.c.c Cr相。富Zr相的析出过程为过饱和固溶体→Zr原子团簇→亚稳定CuCrZr相→Cu5Zr相。Cu-Cr和Cu-Cr-Zr合金时效过程中Cr相与基体取向关系的变化过程为：立方-立方(cube-on-cube)关系→Nishiyama-Wasserman(N-W)关系→Kurdjumov-Sachs (K-S)关系。通过微观组织分析研究和验证了Cr与Zr之间的相互作用机制。结果表明,在Cu-Cr-Zr合金中,Zr元素能加速Cr元素的偏聚和促进析出相的析出以及有序化过程,缩短合金到达峰时效的时间,并且能有效的减小PFZ的宽度,抑制Cr相的长大,增加时效后期析出相的稳定性,提高合金的综合性能。本文研究发现,在低合金化Cu-Cr-Zr合金中Cr元素能与Cu、Zr元素形成亚稳定CuCrZr相,随后会在时效过程中分解成面心立方结构的Cu5Zr相和体心立方结构的Cr相,延迟Cu5Zr相的形成并抑制其长大。