原位形变Cu-15%Fe复合材料组织与性能的研究

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原位形变铜基复合材料具有较高的强度和良好的导电性,在高脉冲磁场导体、引线框架等多个领域有广泛的应用前景。其中,Cu-Fe复合材料Fe纤维强化显著、价格低廉而受到广泛关注。调控优化Cu-Fe原位复合材料强度和导电率的匹配关系,提高材料的综合性能一直是研究热点。本文在国家高技术研究发展计划项目(863计划)(No.2007AA03Z519)资助下,采用真空感应熔炼、热模锻和室温拉拔制备出不同形变量的原位形变Cu-15%Fe复合材料,研究了形变量和退火工艺对复合材料显微组织、力学和导电性能的影响,得出以下结论:1. Cu-15%Fe复合材料形变过程显微组织演变的研究表明,随形变量增加,均匀分布在Cu基体中的Fe枝晶逐渐转变成沿拉拔方向排列、横截面呈ribbon状的卷曲纤维。这是由于在形变过程中bcc结构的Fe枝晶发生平面应变,形成<110>线织构所造成的。通过显微组织的定量分析可知,Fe纤维间距d与形变量η间存在指数关系,即d=41.76exp(-0.411η);Fe纤维的厚度和宽度与形变量间分别满足ln(tFe)=3.396-0.686η、1n(WFe)=4.114-0.431η的关系。2.不同形变量下Cu-15%Fe复合材料力学和导电性能研究表明,复合材料的强度随着形变量的增加而不断增大。在较高的形变量下(η>5.0),复合材料的抗拉强度不再满足混合法则,当形变量η=8.9时,材料的抗拉强度达到1020MPa;屈服强度与Fe纤维间距满足Hall-Petch关系,即σy=350.09+13.89d-1/2;随形变量的增加,受Fe元素添加的影响,复合材料的导电率在49.54~56.89%IACS的范围内波动。3.Cu-15%Fe复合材料退火处理后的显微组织分析表明,在退火时间为1h的条件下,退火温度≤400℃时,Fe纤维的形貌变化不大,而退火温度高于600℃时,Fe纤维出现明显的柱状化、部分断裂、甚至球化,破坏了Fe纤维的形态和连续性;在退火温度为450℃时,保温时间超过4h,部分Fe纤维出现圆柱化、断裂,保温时间超过12h后,Fe纤维的形貌不再进一步破坏。4.Cu-15%Fe复合材料退火处理后的力学和导电性能研究表明,随退火温度的升高,材料的抗拉强度及显微硬度逐渐降低,而导电率受到基体及纤维组织改变等因素的影响先增加后降低;随保温时间的增加,抗拉强度与显微硬度在短时间内急剧降低,而后渐渐变缓,而导电率的变化正好相反;通过炉冷、空冷和淬水三种冷却条件的研究表明,三者的综合性能差别不大,空冷即可满足要求。5.Cu-15%Fe复合材料合理的退火工艺:退火温度为450~500℃,退火时间为1~2h冷却方式为空冷,退火后复合材料抗拉强度为555-615MPa,导电率为58.8~59.9%IACS。
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