（材料物理与化学专业论文）不同浓度cual2o3弥散强化铜合金冷加工及退火行为的研究.pdf

中南人学碗 学位论文 摘婺 捅要 c u - a h 0 3 弥散强化铜合金具有高强、高导以及优越的抗高温软化性能，是一 类具有优越综合性能的先进铜合金，该合金已被广泛应用于大功率微波管、汽车 焊接电极、集成电路引线框架、核技术、航空航天等众多高新技术领域。国内外 以往的研究大多集中在合金制备方法和工艺的研究上，对弥散强化铜合会冷加工 性能以及退火后性能组织结构的研究较少，对不同a 1 2 0 3 含量的c u - a 1 2 0 3 弥散强 化铜合金上述性能进行系统地对比研究就更少。但是这些方面的研究无论对于弥 散强化铜合金实际的生产、应用还是回复再结晶的理论都具有重要的意义。 本文利用新研究出的简化内氧化工艺制备了几种不同浓度c u a 1 2 0 3 弥散强 化铜合会，并对高、中和低浓度c u a 1 2 0 3 弥散强化铜合金冷加工以及退火行为 进行了研究，得出了以下结果： 1 、无氧铜和几种不同浓度c u ，舢2 0 3 弥散强化铜合金冷加工性能进行研究，发现 无氧铜无加工软化现象，a 1 2 0 3 浓度分别为0 2 3 ，o 5 4 ，2 2 5 v 0 1 的低、中和 高浓度c u - a 1 2 0 3 弥散强化铜合舍存在加工软化特性，而且随着a 1 2 0 3 浓度的 增加加工软化特性减弱。 2 、利用t e m 对合金不同冷轧态进行研究，发现纳米a 1 2 0 3 粒子的存在会影响合 会中的位错组态，变形时产生的位错在基体中常呈均匀、随机分御，不易形 成位错胞。特别是高浓度弥散强化铜合会，由于大量纳米a 1 2 0 3 粒子的阻碍 作用，使得位错难以进行长程运动而集中，导致位错胞越来越不易形成。 3 、低浓度散强化铜合金冷轧变形量达到一定程度时，异号位错互相湮灭，取向 差较小的相邻位错胞发生合并形成尺寸较大的亚晶粒。由h a l l p e t c h 理论可 知，晶粒尺寸增加会导致合金强度的降低，因此当冷轧变形量达到一定程度 时出现加工软化现象。随着弥散a 1 2 0 3 粒子浓度的增加，粒子对位错的钉扎 力不断增强，异号位错相互湮灭的机会减少，所以出现随a 1 2 0 3 粒子浓度增 高加工软化现象减弱的现象。 4 、单向轧制使弥散强化铜合金晶粒沿轧制方向拉长并排列形成纤维组织，由于 原晶粒边界上分布的粗大a 1 2 0 3 粒子( o 2 o 5t tm ) 在加工过程中会遗传到纤 维界面上，故纤维界面为弱结合面。这一结构变化使得单向轧制的弥散强化 铜合会无论是在冷轧态还是在9 0 0 l h 的退火态，其横向强度均低于纵向的， 合金力学性能各向异性明显。 中南人学坝i 学位论文 摘莹 5 、利用交叉轧制工艺，可使弥散强化铜合金力学性能各向异性得以明显改善 9 0 0 c l h 退火后再结晶晶粒细小，金相下难以看到再结晶晶粒。退火态合会 各向异性路有增加，这可能与再结晶晶粒沿交叉轧制方向生长而具有方向性 有关。 6 、中浓度c u - 0 5 4 a 1 2 0 3 和高浓度c u - 2 2 5 a 1 2 0 3 两种弥散强化铜合会在1 0 2 0 c 以 下高温退火时主要以回复过程为主，具有比无氧铜优越得多的抗高温软化性 能。高度稳定的纳米a 1 2 0 3 粒子有阻碍合金高温退火过程中位错的重排 作用，随着a 1 2 0 3 粒子浓度的增加，相同温度退火回复形成的亚晶组织 减少，亚晶尺寸会更小。回复过程中，位错的重排会产生大量在冷变形 时不易形成的位错胞组织。 7 、低浓度c u o 2 3 a 1 2 0 3 弥散强化铜合金抗高温软化性能相对较差，力学 性能、金相和t e m 显微组织研究都表明，经8 0 冷变形的低浓度合会 在3 0 0 4 0 0 c 退火l h 主要以回复过程为主，5 0 0 ( 2 退火l h 开始出现再结晶 迹象。 8 、低浓度c u a 1 2 0 3 弥散强化铜合金在高于7 0 0 c 以上进行退火时，强度和硬 度有所升高，延伸率基本保持不变，金相组织观察发现9 0 0 c 退火后再结晶 晶粒比7 0 0 0 的小，合金产生细晶强化，理论计算细晶强化所引起的强度增 量与实际所测增量基本一致。 关键词：c u - a 1 2 0 3 弥散强化铜合金；单向轧制；交叉轧制；加工软化；各向异 性；退火：回复；再结晶 i女tl t?tg*t，l；p，tllg，pt、 中前人学硕f 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l u m i n ad i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o yw h i c hh a sh i g hs t r e n g t ha n dh i 曲 c o n d u c t i v i t y , a n dc a l lr e t a i nh i i g hs t r e n g t ha te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，i so n ek i n do f a d v a n c e dc o p p e ra l l o yw i t hs u p e r i o rc o m b i n a t i o np r o p e r t i e s a n dt h i sa l l o yh a sb e e n u s e di nm a n yh i g ha n dn e w t e c h n o l o g yf i e l d s ，s u c ha s ，h i g hp o w e rm i c r o w a v et u b e s ， a o t o m o b i v ew e l d i n ge l e c t r o d e s ，l e a dw i r e s ，n u c l e a re n g i n e e r i n g s ，a e r o s p a c e ，e ta 1 b e f o r es t u d yo ft h i s a l l o ya r em a i n l yf o c u s e do ni t sp r e p a r a t i o nm e t h o d sa n d p r o c e s s e s ，b u tt h es t u d yo fc o l d w o r k i n gb e h a v i o ra n dt h ec h a n g eo fp r o p e r t i e sa n d m i c r o s t r u c t u r eo f d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e da l l o yi sf e w , a n dt h es y s t e mc o n t r a s ts t u d i e s o ft h e s ep r o p e r t i e si nd i f f e r e n ta l u m i n ac o n t e n td i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o y a r em u c hf e w e r b u tt h e s es t u d i e s ，e i t h e rf o rt h ef a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o no f d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o yo rf o rr e c o v e r ya n dr e c r y s t a l i z a t i o nt h e o r y , h a v e i m p o r t a n tm e a n i n g t h ed i f f e r e n ta l u m i n ac o n t e n t d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o y s a r e f a b r i c a t e db ys i m p l i f i e di n t e r n a lo x i d a t i o np r o c e s s s ，a n dc o l d w o r k i n ga n da n n e a l i n g b e h a v i o r so fl o w , m i d d l ea n dh i g ha l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g h t h e n e d c o p p e ra l l o yh a v eb e e ni n v e s t i n g a t e d t h em a j o rr e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 t h r o u g hs t u d y i n gt h ec o l d - w o r k i n gp e r f o r m a n c eo fo x y g e n - f r e ec o p p e ra n d s e v e r a ld i f f e r e n ta l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e r a l l o y s ， o x y g e n - f l e ec o p p e ri sf o u n do u tn o th a v i n gw o r ks o f t e n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，b u tl o w , m i d d l ea n dh i g ha l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e d c o p p e r ( a l u m i n a c o n c e n t r a t i o ni s0 2 3 ，0 5 4 a n d2 2 5 v 0 1 s e p a r a t e l y ) h a v et h i sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dw i t h t h ea l u m i n ac o n t e n ti n c r e a s i n g ，w o r ks o f t e n i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m ew e a k e r 2 b ys t u d y i n gt h ec o l dr o l l e da l u m i n ad i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o yw i t h t e m ，i ti sf o u n dt h a tn a n oa l u m i n ap a r t i c l e sa f f e c td i s l o c a t i o nc o n f i g u r a t i o no fa l l o y , a n dd i s l o c a t i o n sp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fd e f o r m a t i o na r eh o m o g e n e o u s l ya n d r a d o md i s t r i b u t e di nt h em a t r i x ，a n da r en o te a s yt of o r md i s l o c a t i o nc e l l s e s p e c i a l l y f o rt h eh i 【g ha l u m i n ac o n c e n t r a t i o na l l o y , al a r g en u m b e ro fn a n oa l u m i n ap a r t i c l e s i l l 中南人学碘i 学位论文 a b s t r a c t i n h i b i t ed i s l o c a t i o nl o n g r a n g em o v i n ga n df o c u s i n g ，a n dr e s u l ti nd i s l o c a t i o nc e l l s b e i n gm o r ed i f f i c u l tf o r m e d 3 w h e nl o wa l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o yi sr o l l e d t oad e g r e e ，u n l i k ed i s l o c a t i o n sa n n i h i l a t ee a c ho t h e r , a n dt h es m a l l e ro f i t a t i o n d i f f e r e n c en e i g h b o rd i s l o c a t i o nc e l l sm e r g ei n t ot h el a r g e rs u b g r a i n s a c c o r d i n gt o h a l l - p e t c ht h e o r y , t h ei n c r e a s eo fg r a i ns i z er e s u l t si nt h es t r e n g t hd e c r e a s i n g ， t h e r e f o r el o wa l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o yh a sw o r k s o f t e n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa sc o l dr o l l e dt oad e g r e e w i t ht h ei n c r e a s i n go fa l u m i n a c o n c e n t r a t i o n ，t h ed r a gf o r c eo fa l u m i n ap a r t i c l et od i s l o c a t i o ni sa l s oi n c r e a s e d ，a n d t h ep r o p a b i l i t yo fu n l i k ed i s l o c a t i o n sa n n i h i l a t i n gi sd e c r e a s e d ，t h e r e f o r et h eh i g h e r a l u m i n a c o n c e n t r a t i o n ，t h e w e a k e ro fw o r k s o f t e n i n g o fa l u m i n a d i s p e r s i o n s t r e n 舀h e n e dc o p p e ra l l o y ， ， 4 t h eg r a i n so fd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o ya r ee l o n g a t e da n da r r a n g e d i n t of i b r o u st i s s u et h r o u g hu n i d i r e c t i o nr o l l e d a n dr o u g ha l u m i n ap a r t i c l e s ( o 2 o 5u m 1d i s t r i b u t i n go nt h eo r i g i n a lg r a i nb o u n d a r i ya r ei n h e r i t e do nt h ef i b r o u sb o u n d a r y d u r i n gt h e r o l l e dp r o c e s s ，w h i c hr e s u l t si nt h ef i b r o u sb o u n d a r i e sb e c o m i n gw e a k b o n d i n gp l a n e s a n dt h i sc h a n g eo fs t r u c t u r el e a d st ot h es t r e n g t ho fl a t e r a ld i r e c t i o n i sa l w a y sl o w e rt h a nt h es t r e n g t ho fi o n g i t i d u n a ld i r e c t i o ne i t h e rc o l dr o l l e ds t a t eo r 9 0 0 l ha n n e a l i n gs t a t ef o ru n i d i r e c t i o n a lr o l l e dd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o y , a n dt h ea n i s o t r o p yo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a l l o yi ss e r i o u s 5 t 1 】ea n i s o t r o p yo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ri s w e a k e n e du t i l i z i n gt h et a n d e mr o l l i n gt e c h n o l o g y r e c r y s t a l i z a t i o ng r a i n sa r es m a l l e r a f t e ra n n e a l i n ga t9 0 0 cf o ro n eh o u r , a n di ti sd i f f i c u l tt os e et h er e c r y s t a l i z a t i o n g r a i n su n d e rt h em e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e 1 1 1 ea n i s o t r o p y o fa n n e a l i n gs t a t e i n c r e a s i n gal i t t l e ，a n dw h i c hp o s s i b l yr e s u l t e d f r o mt h ed i r e c t i o n a l p r o p e r t yo f r e c r y s t a l i z a t i o ng r a i ng r o w i n ga l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n 6 b o t ht h em i d d l ea n dh i g ha l u m i n ac o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e d c o p p e ra l l o y s ，o n l yt h er e c o v e r yi so c c u r r e de v e na n n e a l e da th i g ht e m p e r a t u r eu n d e r 1 0 2 0 t h e r e f o r et h i st w ok i n d so fa l l o y sh a v eah i g h e ra b i l i t yt or e t a i nt h e i rs t r e n g t h a th i g ht e m p e r a t u r e st h a no x y g e n f l e ec o p p e r d u r i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ea n n e a l i n g i v 、 中南人学蚀l 学位论义a b s t r a c t p r o c e s s ，t h er e a r r a n g e m e n to fd i s l o c a t i o ni si n h i b i t e db yh i g hs t a b l el l a n oa l u m i n a p a r t i c l e s ，a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fa l u m i n ap a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，t h es u b g r a i n s f o r m e dd u r i n gt h es a m et e m p e r a t u r ea n n e a l i n gp r o c e s sa r ed e c r e a s e d ，a n ds u b g r a i n s i z ei sm u c hs m a l l e r d u r i n gt h er e c o v e r yp r o c e s s ，t h er e a r r a n g e m e n to fd i s l o c a t i o n c a l lp r o d u c eal a r g en u m b e ro fd i s l o c a t i o nc e l l su n e a s yf o r m e dd u r i n gt h ec o l d w o r k i n g 7 t h ea b i l i t yt or e t a i ns t r e n g h t ha th i 曲t e m p e r a t u r ei sw o r s ef o rl o wa l u m i n a c o n c e n t r a t i o nd i s p e r s i o n s t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o y , t h es t u d i e so fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，m e t a l l o g r a p h i ca n dt e mm i c r s t r u c t u r ea l ls h o wt h a tt h er e c o v e r yo f l o w a l u m i n ac o n c e n t r a t i o na l l o yc o l dr o l l e di sm a i nd u r i n ga n n e a l i n ga t3 0 0 - - 4 0 0 cf o r o n eh o u r , a n dt h er e c r y s t a l i z a t i o ni so c c u r r e da f t e ra n n e a l i n ga t5 0 0 cf o ro n eh o u r 8 t h es t r e n g t ha n dh a r d n e s so fl o wa l u m i n ac o n c e n t r a t i o n d i s p e r s i o n s t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o ya n n e a l i n ga tt h et e m p e r a t u r ea b o v e7 0 0 ( 2a l eh i g h e rt h a n t h a to f a n n e a l i n ga t7 0 0 ，a n dt h ee l o n g a t i o nr e m a i n su n c h a n g e d ，t h em e t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r es h o wt h a ts i n c et h er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n sf o r m e da f t e ra n n e a l i n ga t9 0 0 ( 3 a l es m a l l e rt h a nt h a to f 7 0 0 o ，f i n eg r a i ns t r e n g t h e n i n gi sw o r k e di nt h ea l l o y , a n dt h e i n c r e m e n to ft h e o r e t i cf i n eg r a i ns t r e n g t h i n gi st h es a m ea st h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e d k e y w o r d s ：a l u m i n ad i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e ra l l o y ；u n i d i r e c t i o nr o l l i n g ； t a n d e mr o l l i n g ；w o r ks o f t e n i n g ；a n i s o t r o p y ；a n n e a l i n g ；r e c o v e r y ； r e c r y s t a l i z a t i o n v 原仓f 性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 储娩叠四垒眺坶年土月且日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：他导师签名： 1 , 4 1 ：鲤盎年土月三l 日 中南人学坝i 。学位论文 第一市史献综述 第一章文献综述 1 i 引言： 铜及铜合金是人类应用最早的一类金属材料。到目前为止，铜及铜合会仍然 是世界上产量仅次于钢和铝的金属材料，被广泛应用于机械制造、运输、建筑、 电气、电子等工业部门中，其中电气电子工业耗铜量最大。近年来，随着微电子、 计算机、通信、工业自动控制等电子信息产业的不断发展，铜及铜合会应用更加 广泛，需求量也逐年增加，而且对铜合金性能要求也愈来愈苛刻【i l 。如随着集成 电路集成度的提高，其所需端子数不断增加，对铜合金导电、导热性要求也愈来 愈高；此外，随着端子数的增加，集成电路的引线宽度和引线间距必须缩小，进 而引线厚度必然要减薄，这对集成电路所用铜合金的强度就会提出更高的要求。 铜最大特点是具有高导电性和高导热性此外，在大气、海水等许多介质中 具有良好的耐蚀性，并具有优异的塑性。但是纯铜强度偏低( o0 2 = 5 0 m p a ， ob = 1 9 0 m p a ) ，在不损失导电性的情况下，提高铜合金强度并不容易，往往要以 损失电导率为代价。如何在大幅度提高铜的强度的同时，尽量保持铜的高导电性， 即实现铜的高强高导是现代铜加工业发展的重要课题。所谓高强高导铜合会，一 般是指抗拉强度( 瓯) 为铜的2 i o 倍( 3 5 0 2 0 0 0 m p a ) ，导电率为铜的5 0 9 5 的铜合会。国际上公认的理想指标为o b = 6 0 0 8 0 0 m p a ，导电性_ 8 0 i a c s l 。”。 1 2 高强高导电铜合金的强化方式 铜合金的导电率和强度往往互成矛盾，一般来说，导电率高则强度低，强 度高则导电率很难提高。按n o r b u r y - l i n d e 法则，除过渡族会属外，在同一溶剂 中溶入1 原子溶质金属所引起的电阻率增加p 。是由溶剂和溶质金属的价数 而定，它们的价数差愈大，增加的电阻率愈大，其数学表达式为： a p = 口+ b ( a z ) 2 ( 1 一1 ) 式中a ，b 是常数，z 表示低浓度溶剂和溶质问价数差。图1 - 1 为不同元 素对铜电阻率及电导率的影响。从图中可以看出合金元素的加入都不同程度地降 低铜的电导率。因此必须采用特殊的强化方式才能既提高铜的强度又不太多降低 中南人学颂卜学位论文 第一帝女献综述 其导电率。通常采用的强化方式有以下几种：形变原位复合法、颗粒强化、弥散 强化、纤维强化、固溶强化+ 沉淀强化、细晶强化等 o m a 幽1 - 1 合金元素对铜的电导率和电阻率的影响 1 2 1 形变原位复合法 形变原位复合法是指往铜中加入一定过量的过渡族合会元素( n b 、c r 、f e 、 t a 、v 、m o 、w ) ，制得两相复合体，过量元素以单相形式，呈枝晶状( 熔炼法) 或颗粒状( 粉末冶金法) 存在于固态合金d p 4 1 经大变形量的形变后，过渡族金 属相形成了平行于线拉方向的纳米纤维，从而使合会成为纤维增强复合材料。适 ， 用于此法的合金元素要求在铜中的溶解度很小，不至于对铜基体导电率产生太大 的影响：且具有良好的塑性，通常其体积分数应保持在2 0 以下。b e v k 等用此 法首次制备了含1 5 2 0 v 0 1 n b 的c u - n b 复合材料，其强度接近2 0 0 0 m p a i5 6 l 。 1 2 2 颗粒强化 颗粒增强金属基复合材料是基体金属和增强相颗粒复合而成的，增强相颗粒 的体积分数一般都要超过2 0 ，但是由于颗粒直径为微米级，颗粒| 日j 距仍然较大， 一般大于lpi n 。复合材料中的增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传 递载荷和便于加工。硬质增强相造成对基体的束缚作用能阻止基体屈服。颗粒复 合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。 除了机械性能，复合材料的物理性能也同样取决于基体和增强相的性能，因此关 于颗粒增强铜基复合材料的性能的理论预测对于其研究和应用有着极大的现实 2 m m 锄 掀 燃 懈 一睾鼍gi抖言鼍葛】i毛若 中南人学硕i 。学位论史 第一帝史献综述 意义。预测不同颗粒增强会属基复合材料性能的最简单模型是混合法则( r o m ) 近似。o r 。= 圪+ ，咋，qc 一所研究的性能，v 一体积比，下标m 、r 和c 分别 指会属基体、增强相和复合材料。该法则可以预测包括热膨胀系数、密度、弹性 、 模量、导电性能和导热性能在内的几乎所有性能。 颗粒增强金属基复合材料的复合原则主要包括以下几点：( 1 ) 颗粒应高度弥 散均匀地分散在基体中，其作用是阻碍导致塑性变形的位错的运动；( 2 ) 颗粒直 径的大小要适度，因为颗粒直径过大引起应力集中或本身破碲导致强度的降低； ( 3 ) 研究认为颗粒的体积分数一般要超过2 0 ，数量太少，则难以起到所需的 强化效果：( 4 ) 颗粒与基体之间有一定的结合强度。 颗粒增强金属基复合材料的制备技术主要分为液相合成法、固相合成法以及 两相区合成法三种。液相合成是将液相基体与固相增强颗粒混合后进行铸造成 形。该技术铸造成本低，而且能够生产较大和较复杂的构件，是最简便的m m c s 制备方法。该方法的主要问题是由于颗粒与液态金属之间不易涧湿，难以使颗粒 在液相中均匀分布，限制了可加入的颗粒数量( 2 0 v 0 1 ) 及尺寸( 一般需大于 5 0 l x m ) 。颗粒在液态金属中暴露较长时f b j 会引起对性能不利的界面反应。固相合 成法是将预制的合金粉末与增强颗粒混合均匀，经压实与烧结制成产品。该方法 可以将各种不同性能的基体与颗粒按各种比例混合，颗粒含量可达2 0 5 0 还 可制备含细小颗粒( 岬) 的金属基复合材料( m m c s ) ，以提高塑性及强度。 两相区合成法主要包括流变铸造法和最近发展起来的直接凝固成形法流变铸造 法是将增强相加入部分凝固的基体中，搅拌均匀后经压铸成形，在半液态融体中， 搅拌引起的高剪切应力有利于增强相的均匀分布，但同时也带入了很多杂质与气 体，疏松和夹杂含量成为影响这类材料性能的主要因素。此外，工艺上也很难保 证温度的控制，而且搅拌器的侵蚀和磨损往往也令人难以接受。还有一个限制因 素是可以选用的具有宽的凝固温度区间基体合金很有限。 1 2 3 弥散强化 弥散强化其实是颗粒强化的延伸，不同之处在于基体内分布的强化相的尺寸 大小不同。弥散强化法的基本原理是利用原位反应生成零固溶度的弥散分御的第 二相纳米复合粒子来强化合金。纳米弥散强化铜合会是依靠高耐热稳定的纳米强 中南人学坝l 学位论文镍一审且献综述 化相( 如a 1 2 0 3 、t i b 2 、h f b 2 、v b 2 、n b c 、t a c 、t i c 、w c 等) 柬大幅度强化 铜基体和提高铜的耐高温性能，并保持铜的高导电性的。与一般会属基复合材料 ( 颗粒增强型) 相比，其必须具有如下结构特点： ( 1 ) 强化相尺寸必须是纳米级的，一般为5 0 r i m 以下，最好小于2 0 n m ，纳米级 的强化粒子有着强烈阻碍位错运动和阻碍晶晃和亚晶界运动的作用，从而产生 o r o w a n 强化和细晶强化，若强化相尺寸大于1 0 0 r i m ，强化效果减弱十分明显。 。2 ， ( 2 ) 由能带理论导出的电导率公式盯= 竺二( 卜合金导电率，i 卜单位体积内 能参与传导过程的电子数，e 一电子电量，l _ 一电子平均自由程，i n 一电子质量，v 一 电子运动平均速度) 可知，纳米强化相必须是高度弥散的，若其中平均日j 距大于 铜的电子自由程( 约4 0 n m ) ，则这种高度弥散分布的纳米粒子对铜的导电率影响 甚微，若纳米强化相数量增多，以致其平均间距小于铜的电子自由程，则会对传 导电子产生散射，降低其导电率由于弥散相的含量、粒子和粒子日j 距互相有联 系，当含量一定时，粒子愈细，则粒子数愈多，因而粒子间距也就愈小，这些弥 散相的几何因素强烈影响材料强度。克雷门斯等研究了三者之| 日j 的关系，得出： f = ：r d 【1 一1 ) ，其中，一粒子间距，厂一弥散相体积分数，仁粒子直径。由上 3 式不难发现，在设计高强高导铜合金时，必须注意强度和导电率的平衡。 ( 3 ) 纳米强化相必须具有高耐热稳定特性。常用的弥敝强化相多为氧化物、硼 化物、氮化物、碳化物等，表1 1 为常见几种强化相的性能。由于纳米弥散强化 相高耐热稳定性，因此在接近铜熔点的高温下，仍有强烈阻碍位错运动和晶界运 动的作用，从而使纳米弥散强化铜合金经高温退火后仍可保持高强度。此外从表 1 1 可以看出大部分陶瓷增强相的传导性较低，这样就限制了弥散强化铜合会传 导性能的提高，氧化物是绝缘体，碳化物和硼化物虽然热导率较高，但电导率仍 然不能满足实际应用，而且增强相的低热导率也降低了弥散强化铜合会的高温性 能( 主要包括热疲劳性能) ，因此寻找一种既具有高热导率又具有高电导率的增 强相已成为纳米弥散强化铜合金研究的一个主要方向l 。 中南人学钡 。学位论义 第一章义献练述 表1 - 1 弥散强化铜合金常用陶瓷增强相性能 m e l t i n g m o d u l u so f d e n s i t y t h e l m a l s p e c i f i c c e r a m i c c o n d u c t i v i t y r e s l t a n c e t e m p e r a t u r e ( k )e l a s t i c i t y ( g p a )( f c m 。) ( w c m k 1 ( 1 0 击q m 1 a 1 2 0 3 2 3 2 33 8 03 9 70 1 5 9 ) 1 0 2 0 c r 2 0 3 2 7 0 81 0 35 2 1 ，l c e 0 2 2 8 7 31 8 0 7 3，| t i 0 2 2 1 1 3 2 8 34 2 5 ， c a o 2 8 4 5|3 3 2| | m g o 3 0 7 3|3 5 8| l t i b 2 3 4 9 85 1 44 50 6 6 0 9 z r b 2 3 3 3 35 0 3 6 1，| c r b 2 2 3 7 3| 5 2| s i 3 n 4 2 1 7 33 0 43 20 1 2 6 | b e 3 n 2 2 5 1 3|1 7| | b n3 0 0 3l o w 2 1| v c3 0 8 94 3 45 7 7o 2 50 1 5 o 1 6 w c2 9 9 36 6 91 5 6 3o 3 2 o 1 9 t h c4 1 5 03 6 6 1 4 3 o 2 l o 3 m 加4 1 t i c 3 4 2 0 2 6 9 4 9 3o 1 7 lo 6 0 s i c2 7 0 02 0 73 1 80 5 5 7| 弥散强化的代表理论是位错理论，即在弥散强化材料中，弥散第二相是位错 线运动的障碍，这些弥散的第二相粒子与位错发生交互作用，位错线需要较大的 应力才能克服障碍向前运动，使得弥散强化合金的强度得到大幅度提高。位错和 弥散的第二相粒子相遇时，会有两种不同情况发生：一是当第二相粒子在力学性 能上是不可变形的“硬”相、且与基体界面非共格时，位错难以切过粒子，将以 o r o w a n 机制绕过粒子，在粒子周围留下位错环。第二种情况是第二相为可变形 的较“软”的粒子，且第二相与基体共格，这时位错可能切过粒子，沿一定的晶 体学平面将粒子剪切开。图1 2 示出了单根位错与一列平均间距为l 的粒子列相 遇时，和粒子接触处位错的受力情况。第二相粒子对位错的钉扎力f 可用下式表 示【8 l ： f = 2 t s i n o = a 西三( 1 - 1 ) 式中t 是位错线张力，0 是位错线的弯曲角，t 为位错克服第二相粒子 的阻力而运动时需要增加的切应力 中南人学硕i 学位论史 第一幸文献综述 2 一 ，访厂囝 娩、弦厂囝? 姚 卜叫 图l - 2 单列位错与第二相粒子列的交互作圳 每个粒子能够承受的最大力，也就是f 的最大值f 。，对一定的粒子来说是 个确定值。若在位错弯曲到9 0 。以前先达到f m ，则粒子将被切过，取切割机制； 反之，若在到达f m 之前，位错线已先弯曲到9 0 0 ，则位错将绕过粒子，取o r o w a n 绕过机制，此时，位错线上的障碍间距l = i 。临界切应力决定于位错绕过障碍时 的最小曲率半径凡2 ，即 f ：- t ( 1 2 ) 弘z 。2 2 这罩t 为位错的线张力，为滑移面上粒子的平均日j 距，b 为位错矢量，如 果用线张力的近似值1 2ub 2 代入，则得到 f ：丝 ( 1 - 3 ) 如果采用混合型位错的线张力t = 蒙赫t n 陪 ，并考蒯粒子的半 径使有效问距缩小，则 可写成 = l - 2 r 。此时若取位错的截止半径为2 2 b ，可 求得滑移抗力t 更确切的表达式： r = 一2 庀k ( 1 - 2 r ) - n ( 等 “圳 式中上k = c o s 2 占+ 等等，其中口为位错线与矢量b b j 的夹角a 由此，可进 一步获得定量估计由于o r o w a n 机制而产生的屈服应力增量q ， 0 1 ： 。：! ：! ! 丝! l n ( 2 r , r o ) ： 幻2 石丽瓦j 石2 6 0 8 1 m g b i n ( z r r 4 b ) 2 z r ( 1 一 ，) 1 7 2 r ( ( 3 万2 工) 2 - l r 4 ) 中南人学坝i 学位论文箱一审史献练蚌 ：! ! ! ! ! 堕! ! 竺2 r ( ( 3 r r 2 f , ) ”一n 4 ) 其中 ”慑 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) = 呼) ，( 1 - 7 ) 式中m 为t a y l o r 因子( 铜的m = 3 1 ) ；0 为基体的剪切模量( 铜的剪切模量 = 4 5 5 g p a ) ；v 为泊松比( = 0 3 4 ) ；b 为b u r g e r s 矢量(