形变Cu-Fe-Ag系原位复合材料制备工艺与性能

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社会经济的快速发展对铜合金的综合性能提出了更高要求,特别是在集成电路引线框架、高速电气化铁路接触导线等应用领域中,既要求铜合金材料具有高强度,还要求高导电性与热稳定性。研究表明,铜合金电导率高则强度较低,而强度的提高需要以电导率的损失为代价。如何解决两者之间的矛盾,制备高强度、高导电、耐热铜合金材料已成为当前高性能铜合金研究的关键问题。为此,本文对形变Cu-Fe-Ag系原位复合材料的制备工艺与性能进行了系统深入研究,主要研究内容及结果如下:  对Cu-Fe合金进行多元微合金化设计,加入1.0~2.0wt%的Ag能促进Fe的析出动力学过程,对提高导电性能作用明显,并随Ag含量增加而增加;加入0.1~0.15wt%的Zr形成Cu5Zr弥散分布于晶界,阻碍了基体回复和再结晶过程,从而强化材料并提高其热稳定性。微观组织观察发现,Cu-Fe-Ag系铸态合金中,Ag元素几乎全部溶于Cu基体,而大部分Fe以第二相枝晶存在;经过热锻、拉拔或轧制变形,Fe枝晶被破碎并拉长,逐渐以纤维形态夹杂在Cu基体中,并随变形程度增加而逐渐均匀、细密,实现了第二相Fe的纤维强化。  系统研究了形变-热处理工艺对Cu-Fe-Ag系原位复合材料的抗拉强度、显微硬度的影响,表明变形程度愈大,Fe纤维强化作用愈显著,材料抗拉强度与显微硬度升高。增加拉拔道次及中间退火次数,抗拉强度最大值降低,400℃中间退火强化效果明显。同等变形程度情况下,轧制变形时Fe纤维在宽度方向变形剧烈,在薄弱部位发生开裂,削弱了强化效果,使得轧制工艺获得的抗拉强度低于拉拔工艺。拉拔工艺制备的Cu-10Fe-1.5Ag-0.1Zr原位复合材料的抗软化温度达550℃,比Cu-17.5Fe原位复合材料提高了100℃。  研究并阐明了形变-热处理工艺对Cu-Fe-Ag系原位复合材料导电性能的影响规律。变形程度的增加,Cu/Fe界面密度的增大引起了界面散射电阻率升高,材料电导率逐渐减小;中间退火温度越高,过饱和Fe从基体中析出量越多,导电性越好,且第一次中间退火的影响最大。变形方式及轧制道次、退火次数对电导率的影响甚微。拉拔变形与500℃一次及450℃两次中间退火工艺制备的Cu-10Fe-1.5Ag、Cu-10Fe-1.5Ag-0.1Zr的力学性能与导电性能可达841MPa/58.6%IACS、959MPa/55.6%IACS。轧制变形与500℃四次中间退火工艺制备的Cu-10Fe-2Ag-0.15Zr的性能为820MPa/52.1%IACS。  采用等温热压缩试验,分析了Cu-Fe-Ag系复合材料的应力-应变响应特征,高温或低应变速率下流动软化显著;峰值应力随变形温度升高而降低,随应变速率增大而升高,动态再结晶为主要软化机制。采用Arrhenius修正模型和Z-H参数方法,建立了Cu-Fe-Ag系复合材料的本构方程,并验证了其可靠性。基于动态材料学模型与Prasad失稳判据,绘制了Cu-Fe-Ag系复合材料热加工图,提出了其合理的热加工工艺:Cu-10Fe-1Ag的变形温度为750~800℃、应变速率0.002~0.01s-1;Cu-10Fe-1Ag-0.1Zr的变形温度为825~870℃、应变速率0.002~0.003s-1。
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