（材料加工工程专业论文）塑性变形对单晶铜线材传输信号影响的研究.pdf

塑性变形对单晶铜线材传输信号影响的研究 学科：材料加工工程 研究生签字：；# 理弓 指删僻：尹疋 芬亏 摘要 铜作为一种具有战略意义的金属，在各个工业技术领域，特别是在电气、电 子和通讯三个行业中得到了广泛应用。采用o c c 技术生产的单晶铜线材，由于 没有晶界而具有更好的塑性变形能力以及优异的信号传输性能，拥有更加广阔的 应用前景。因此，单晶铜线材的研究及其应用成为了材料科学与工程领域研究的 热点之一。然而，目前所制备的单晶铜线材的直径还比较粗大，仍需要经过多次 塑性变形才能使用。本文通过制备不同塑性变形量的试样，分析了单晶铜线材在 塑性变形过程中微观组织演化的规律，以及塑性变形对单晶铜线材力学性能的影 响；通过测量不同塑性变形量试样的电阻率与失真度，来分析、研究塑性变形对 单晶铜线材传输信号影响的规律与机制，建立了塑性变形后的单晶铜线材微观组 织对传输信号影响的物理模型，为单晶铜线材的应用提供试验数据和理论依据。 本文所取得的主要研究结论有： ( 1 ) 单晶铜线材塑性变形时微观组织演化的规律是：首先从局部的滑移和 晶粒的裂化开始，然后发生孪生变形，随后又产生新的滑移变形：晶粒的裂化、 碎化、细化以及轴向与径向的不均匀变形，贯穿于变形的整个过程，最后形成纤 维状组织。另外，单晶铜线材的冷拔变形具有阶段性，大致可分为三个阶段：单 i 晶铜线材塑性变形量达到9 8 4 3 时，出现加工硬化指数下降和断面收缩率回升； ( 2 ) 电阻率p 与塑性变形量之间的函数关系方程为： p 却7 8 一罢) l o 一8 ( q 聊) 1 + g 面丁 电阻率随塑性变形量的增加而增大的原因，是由于试样的微观组织畸变程度随塑 性变形量的增加而加剧。单晶铜线材的电阻率与塑性变形量之间的变化关系也呈 现出三个不同阶段，这是由于单晶铜线材的微观组织随塑性变形量的变化所呈现 出三个不同的变化阶段所致。这三个阶段的分界点所对应的塑性变形量分别为： = 5 6 5 ，2 = 8 6 6 ； ( 3 ) 单晶铜线材的电阻率不会随塑性变形量的增加而无限增加，塑性变形 量可引起电阻率增加的最大量是：p = o 0 5 5 1 0 “( q 聊) ； ( 4 ) 单晶铜线材传输信号的失真度随塑性变形量的增加而增大，也随信号 频率的上升而增大。但在一定频率处出现谐振现象，使失真度有极小值； ( 5 ) 塑性变形后的单晶铜线材微观组织影响信号传输的物理模型与实验结 果基本吻合，揭示出了塑性变形后的单晶铜线材微观组织缺陷引起信号传输失真 的原因是其所具有的电阻效应、电容效应和电感效应。 关键词：单晶铜线材塑性变形微观组织演化电阻率失真度 j i e f f e c t so fp l a s t i cd e f o r m a t i o no i ls i g n a lt r a n s m i s s i o no fs i n g l e c r y s t a lc o p p e r w i r e s d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r t ： z “n 3 i + 乱，l 上nq s u p e r v i s o rs i g n a t u r e a b s t r a c t t h ec o p p e r , a sak i n do fm e t a lw i t hs t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e ，i sw i d e l yu s e di ne v e r y i n d u s t r i a t e c h n o l o g yf i e l d 。e s p e c i a l l y i nt h ef i e l d so fe l e c t r o n i cd e v i c e sa n d c o m m u n i c a t i o nt h es i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r ep r o d u c e db y0 c c ( o h n oc o n t i n u o u s c a s t i n g ) t e c h n i q u e h a sb e t t e r a b i l i t y o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n ，e x c e l l e n ts i g n a l t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dw i d e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t sb e c a u s eo fn og r a i n b o u n d a r y s o s t u d y i n ga n du s i n go fs i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r eh a sb e c o m eo n eo ft h e f o c u s e si nm a t e r i a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gf i e l d h o w e v e r , t h ed i a m e t e r o ft h es i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r ep r o d u c e da tp r e s e n ti s s t i l lr e l a t i v e l yl a r g ea n di tn e e d sp l a s t i c d e f o r m i n g s e v e r a lt i m e sb e f o r e b e i n g u s e d ， i nt h ep r e s e n tw o r k t h ee v o l u t i o nr e g u l a r i t yo f t h em i c r o s t r u e t u r eo f s i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r ei nt h ep r o c e s so f p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h ee r i e c t so f p l a s t i cd e f o r m a t i o no nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r eh a v eb e e ns t u d i e db yt h ep r e p a r e d s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tp l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e t l cr e g u l a r i t y a n dm e c h a n i s mo ft h e e f f e c t o f p l a s t i cd e f o r m a t i o no n t r a n s m i s s i o no f v o i c e 一抒e q u e n c ys i g n a li ns i n g l ec r y s t a l c o p p e r w i r eh a v eb e e na n a l y s e da n dd i s c u s s e db y m e a s u r i n g t h e r e s i s t i v i t yo f s a m p l e s w i t hd i f f e r e n tp l a s t i ca n dt h ed i s t o r t i o no fv o i c e f r e q u e n c ys i g n a l t r a n s m i t t i n gi n s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tp l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e ap h y s i c a lm o d e lo fm i c r o s t m c t u r e d i s t o r t i o n a f f e c t i n g t h e v o i c e 一丹e q u e n c ys i g n a l t r a n s m i s s i o ni nt 1 1 e s i n g l ec r y s t a l c o p p e rw i r e a f t e r p l a s t i c d e f o r m a t i o nh a sb e e nt e n t a t i v e l yp r o p o s e d t h ea b o v e s u p p l i e s t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n de x p e r i m e n tr e c o r d sf o rt h e a p p l i c a t i o no f s i n g l ec r y s t a lc o p p e r w i r e t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h ee v o l v e m e n tr e g u l a r i t yo f t h em i c r o s t r u e t u r eo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r ei nt h e p r o c e s s o f p l a s t i c d e f o r m a t i o ni n c l u d e st h e f a l l o w i n gp r o c e s s e s ：t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nb e g i n n i n gw i t hc r a c k i n go fc r y s t a lg r a i na n dp a r t i a ls l i p p i n gf i r s t ，t h e n b e i n gt w i n n i n gd e f o r m a t i o na n dt h e no c c u r r i n gn e ws l i p p i n g ；c r a c k i n g ，b r e a k i n ga n d t h i n n i n g o fc r y s t a l g r a i n ，a n dn o n - h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o ni nr a d i a l a n da x i a l d i r e c t i o n st h r o u g ht h ew h o l e p r o c e s so fp l a s t i cd e f o r m a t i o n f o r m i n gf i b r o u ss t r u c t u r e i i lt h ee n d i na d d i t i o n ，t h ee v o l v e m e n t o f t h em i c r o s t r a c t u r eo f s i n g l ec r y s t a lc o p p e i w i x e 艾k 护 i nt h ep r o c e s so f p l a s t i cd e f o r m a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e so n t h ew h o l e w o r k h a r d e n i n gi n d e xw i l l d e s c e n da n dc r o s s s e c t i o n s h r i n k i n gr a t i o w i l lr e c o v e r w h e n p l a s t i cd e f o r m a t i o n v a l u er e a c h e s9 8 4 3 ( 2 ) t h ee q u a t i o no f r e s i s t i v i t y pv s p l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u eyc a nb e e x p r e s s e da s ： 口= ( 1 7 8 罢) 1 0 i o 一8 ( q 豫)i 二雨百，o 。u 2 豫， l + e 面可 t h er e a s o no ft h er e s i s t i v i t vo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r ee n h a n c i n gw i t ht h e i n c r e a s i n g o fp l a s t i cd e f o m a t i o nv a l u ei st h a t s a m p l e sm i c r o s t r u c t u r e d i s t o r t i o n d e g r e ee n h a n c e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fp l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e t h er e l a t i o ns h i p b e t w e e n r e s i s t i v i t y o fs i n g l e c r y s t a lc o p l ：i e r w i r ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e p r e s e n t s t h r e ed i r i t e r e n tv a r y i n g s t a g e sr e s u l t sf r o m t h em i c r o s t r u c t u r eo f s i n g l ec r y s t a l c o p p e rw i r ep r e s e m i n gt h r e ed i f f e r e n tv a r y i n gs t a g e sa c c o r d i n g t op l a s t i cd e f o r m a t i o n v a l u e t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e so ft h ec u t 0 f f p o i n t so f t h r e es t a g e sc o r r e s p o n d s t o 矿l = 5 6 5 ，y 2 = 8 6 6 ( 3 ) t h er e s i s t i v i t yo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r ec a nn o ti n c r e a s ee n d l e s s l ya l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n go f p l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u e t h eh i g h e s ti n c r e m e mr e s u l t i n gf r o m t h ei n c r e a s i n go f p l a s t i cd e f o r m a t i o nv a l u ei s 印= 0 0 5 5 x10 。8 ( q m ) ( 4 ) t h ed i s t o r t i o nd e g r e eo f t h et r a n s m i s s i o no f v o i c e f r e q u e n c ys i g n a li ns i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r ew i l li n c r e a s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fp l a s t i cd e f o r m a t i o n v a l u ea n dw i l la l s oi n c r e a s ea l o n gw i t ht h ef r e q u e n c y o f v o i c e - f r e q u e n c ys i g n a l t h e r e i sr e s o n a n c ep h e n o m e n o na tad e f i n i t ef r e q u e n c yp o i n t ；t h ed i s t o r t i o nd e g r e ew i l lb e t h em i n i m m na tt h e p o i n t ( 5 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti si nag o o da g r e e m e n tw i t ht h ep h y s i c a lm o d e lo f m i c r o s t r u c t u r ed i s t o r t i o na f f e c t i n gt h ev o i c e f r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h es i n g l e c r y s t a lc o p p e rw i r ea f t e rp l a s t i cd e f o r m a t i o n t h ep h y s i c a lm o d e ld i s c l o s e st h a tt h e r e a s o nw h yt h em i c r o s t r u c t u r ed i s t o r t i o nc a u s e st h e f u z z yo ft h et r a n s m i s s i o no f v o i c e - f r e q u e n c ys i g n a li st h a tt h em i c r o s t r u c t u r ed i s t o r t i o nh a sr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c e a n di n d u c t a n c ee f f e c t s k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s t a lc o p p e rw i r e ：p l a s t i cd e f o r m a t i o n ：e v o l u t i o no fm i c m s t r u c t u r e ： r e s i s t i v i t y ；f u z z yd e g r e e 1 绪论 1 1 本课题研究背景与意义 1 绪论 在以电子化和信息化为主要特征的现代社会中，铜是一种不可缺少的、具 有战略意义的重要金属。随着中国经济的迅猛发展，我国铜材的生产加工总量也 在同步快速增长，自2 0 0 2 年起已成为仅次于美国的世界铜加工生产大国。纯 铜作为一种优良的金属材料，在许多领域中得到了十分广泛的应用。在对其各种 性能的应用上，导电性占到6 4 ( 如图1 1 所示) 。电气、电子和通讯三个行 业每年铜的消费量是我国年铜消费总量的5 0 左右，在西方发达国家这一比例 可高达7 0 左右。1 。过去，在电子元器件的性能与质量不是很高的情况下，通常 不需考虑铜导线对电子电路的影响。然而，随着电子技术、半导体技术、微电子 技术和通信技术的发展以及人们对信 号传输质量要求的不断提高，高保真传 输导线的用量不断增加，对导体金属的 性能提出了越来越高的要求。传统的电 缆线由于对音质甚至对视频的清晰度 有一定影响0 1 ，已很难满足现代生活的 需要。其次，顺应微型电子产品发展的 需要，超微细铜线( 直径小于0 0 5 m m ) 的市场需求不仅在逐年增大，而且其市 场价格是普通铜导线的几十甚至几百 倍。但由于加工难度大，对原材料性能的要求比较高。目前，国内电缆行业拥有 低氧铜杆的连铸连轧生产线，也有浸涂成型和上引法的无氧铜杆生产线，所产出 的铜杆其内部组织不均匀，细线拉制非常困难。在采用1 8 0 0 m m i n 以上的拉丝速 度时，国外先进技术拉制一公斤0 0 0 2 m m 的铜丝最多断头一次，而我国拉制规 定长度的中o 0 4 m m 以下的铜线时较为困难，尤其是很难拉制规定长度的中 o 0 2 m m 及以下的铜丝。有时虽已制成漆包线等产品，但在用户的高速绕线或自 动嵌线设备上应用时，也常因材料韧性较差而容易断线【4 1 。采用0 c c ( o h n o 西安工业学院硕士论文 c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 技【5 】生产的单晶( 指工业单晶，下同) 铜线材，由于具有良好 的塑性变形能力以及优异的信号传输性能，而拥有广阔的应用前景，铜单晶音 频线的国际价格高达无氧铜的4 - 5 倍“1 。单晶铜线材的室温延伸率可达6 1 0 0 ， 单向扭断值( t t f ) 可达1 1 0 次以上，电阻率低于1 6 8 1 0 1 妇一。目前，国内 采用0 c c 法制备单晶铜线材的技术已日趋成熟。然而，所制备的单晶铜线材的 直径却在3 8 m m 之间，与手机、便携式电脑等小型电子产品所使用的“双零线 ( 线径小于0 0 5 m 州) ”相比，直径则要大几十甚至几百倍。这种单晶铜线材必 须经过塑性变形即多次拉拔，才能制成漆包线等其他产品而被使用。因此，研究 单晶铜线材的塑性变形过程中所引起的微观组织变化及其对信号传输性能的影 响规律，已经迫在眉睫。开展这项研究工作，首先可以为改进单晶铜线材拉拔的 生产工艺和提高产品质量提供指导，加快单晶铜线材从研发阶段向产业化的过 渡；其次，对单晶铜线材不经退火可以拉拔到超细而不易断裂这种现象，目前还 不能完全解释清楚，开展这项研究工作也可以对这个具有一定理论意义的科学问 题做出回答。另外，经过塑性变形后的单晶铜线，由于其内部组织已发生变化， 会对电信号的传输产生什么影响，以及怎样影响? 这同样也是一个科学问题，需 要通过开展这项研究给以解答。 1 2 本课题研究现状 1 2 1 单晶连铸技术的发展 大野笃美在应用结晶游离理论3 】对铸造组织控制中的一些问题，如铸铁的 反白1 3 问题1 1 4 1 ”l ，铸件中的宏观偏析问题i t 6 等进行研究时，为了对连续铸造铸件 组织进行控制，将传统连铸中的水冷结晶器改变为加热铸型和一个与之分离的冷 却器两部分，使铸型内壁温度高于所铸金属的熔点，防止在型壁上形核，从而发 明了一种定向连续铸造技术，即0 c c 技术。单晶连铸技术是一种采用定向连续 铸造方法制造单晶金属型材的新型成型工艺【1 7 _ 1 9 1 。0 c c 技术首先实现将定向凝 固技术与连续铸造技术相结合，其发展初期主要是为了提高铸锭的表面质量，消 除传统连续铸造中的铸造缺陷，获得近成品形状( n e a r - n e t s h a p e ) 的长柱晶型 材1 2 。在该技术基础上，通过工艺参数的优化，控制固液界面，促进晶粒的竞争 生长与淘汰，可以获得单晶金属型材。因此，单晶连铸技术是0c c 技术发 西安工业学院硕士论文 展的高级阶段，二者具有相同的定向连续铸造原理。 自从单晶连铸技术问世以来，为新型功能材料及其近净成型产品的开发，开 辟了一条新的途径。目前，国外主要在金属单晶材料制品，如音频传输导线1 2 引、 贵金属线材、高塑性材料、高纯度材料等，特种焊接材料，如硬质合金、不锈钢、 高硬度铝铜合金焊条等其他工艺难以加工的型才，截面形状复杂的型才以及双金 属连续定向凝固材料的制备等方面得到广泛的应用。采用单晶连铸技术生产的金 属单晶材料，表面异常光洁，没有各种铸造缺陷和晶界，具有优异的变形加工性 能，可拉成极细的丝或压延成极薄的箔。例如，用单晶连铸法铷备的铝硅合金单 晶可拉制成直径2 5 删的细丝，用作集成电路的引线；单晶镁可压延成5 翩厚 的箔，用作耳机的振动膜；单晶铜拉制的细丝已用于高级视听器材的接线和扬声 器线圈等【2 3 ，“】。美国、加拿大、日本等国家以及我国的台湾地区都相继开展了此 领域的研究，1 9 8 8 年多伦多大学建立了热型连铸研究室，该室具有一套完整的 熔化和铸造系统，并已在水平铸造设备上完成了底熔点s n 、b i 、a l 及它们的合 金、高熔点n i e o 基合金、不锈钢和超硬质合金等的连铸，目前已经超过三十多 种。”。然而，在单晶连铸技术的研究与应用方面，日本无疑是处于领先地位。千 叶工业大学、n i p p o nl i g h tm e t a l s 公司( 日本轻金属公司) 、f u r a k a w ae 1 e c t r i c 公司( 古河电器工业公司) 、l j i m a k i n g i n k o g y o 公司、大阪富士公司、o s a k af u j i k o g y o 公司等众多单位相继开展了单晶连铸技术的研究或生产，已经能直接拉制 幽12 制备单品设备原理图 图1 f 3 直径8 r a m 的单品铜线材 西安工业学院硕士论文 出直径为0 5 m m 的单晶铜导线，并将单晶铜导线在实际中予以使用。日本三井 公司开发出了各种截面形状复杂的铜管，如带有内外翅片、双层壁、多通道等特 征的铜管，其翅片厚度仅0 3 m m ，管壁厚0 5 坍聊，可用作高性能换热器、热管 和感应加热线圈等。用作空调换热器的带翅片铜管的传热系数是无翅铜管的3 5 倍1 2 6 。9 】。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，国内也相继开展了对单晶连铸技术的研究工作。 1 9 8 5 年西安交通大学邢建东教授首次将单晶连铸技术介绍到中国0 0 ，并进行了 单晶连铸s n 、a l 线材的研究工作。西北工业大学于1 9 9 4 年起开展单晶连铸技术 研究p “，由范新会等人成功研制出国内第一台单晶连铸设备( 原理图如图1 2 所示) ，并成功地研制出直径为8 研玳的单晶铝、铜线材( 如图1 3 所示) 。广东 工业大学1 9 9 8 年也成功制备出了直径为8 m m 的单晶铜线材，其性能指标已经达 到日本公布的指标：最大会氧量： 5 p p m ；最大含氢量； o 5 p p , o 目前，他们 与广东鑫威电器有限公司合作开发单晶铜线。”“1 。兰州理工大学1 9 9 2 年开始着 手研究单晶连铸技术，于1 9 9 5 年完成了单晶连铸过程温度场数值模拟工作，1 9 9 8 年设计了一台单晶连铸试验设备，并用此设备制备出了单向凝固柱状晶组织纯 a l 、a 卜c u 合金线材”3 ；1 9 9 9 年对该设备又进行了改进，提高了设备的机械稳 定性及对温度、拉丝速度的控制精度，并成功制备出了铝单晶线材，2 0 0 1 年又 成功设计并制造了一台横引式单晶连铸生产设备，制备出了直径为3 - 6 聊m 的单 晶铜线材o “1 。此外，北京科技大学利用热型连铸技术开发出了高导电、高强度 的c u c r 合金；上海大学毛协民等人采用上引式热型连铸法进行了单晶铜的研究 l 主动轮2 导向轮3 石墨坩埚4 导向轮 5 牵引轮6 排线卷7 牵引电机控制柜8 送 料电机控制柜9l 作台l o 送料卷 图1 d 热型连铸设备总体结构简 酗1 5 热型连铸设备实物矧 4 西安工业学院硕士论文 工作。 为了制各直径细小且足够长的单晶线材，西安工业学院提出了区域融炼与传 统热型连铸相结合的思想，成功地研制出台横引式热型连铸设备( 其结构简图 如图1 ，4 所示，图1 5 是实物图) ，并拉制出直径庐l 3 r a m 长度不受限制的单晶铜 线材( 如图1 6 所示，图1 7 是显微金相组织) 。设备主体包括有机械传动系统、 加热保温系统和冷却系统三个部分“。 图1 6 西安工业学院制备的直径图1 7 单晶铜线材的微观组织4 0 0 x 2 r a m 单晶铜线材 1 2 2 单晶线材性能研究 最近几年对单晶铜的塑性变形的研究主要集中在两个方面。一是循环变形单 晶铜的微观组织与位错组态变化的研究”3 ，这方面有大量的文献报道。但由于 其原材料是非线材，并且其生产方法也非单晶连铸法，变形方式与本研究的变形 方式也不同，因此，对本文的研究仅有一定的借鉴作用。另一方面就是对采用单 晶连铸法生产的单晶铝、铜线材性能的研究，而这主要集中在对单晶连铸技术及 设备有一定研究的几家单位。单晶线材性能研究主要包括力学性能和电学性能两 个方面。研究发现，单晶铝线材的抗拉强度比多晶铝线材降低3 8 8 。但是，屈 服强度不但没有减小，反而稍有增加脚。单晶铝线材的延伸率比多晶铝线材提高 1 1 7 ，断面收缩率大于8 0 。单晶铜线材与定向凝固多晶铜线材都有较高的屈服 强度，并且数值相当。单晶铜线材与多晶铜线材相比，抗拉强度降低了2 0 8 5 5 , 屈服强度降低8 6 尉筋延伸率增加了8 0 及牟，断面收缩率增加了09 4 5 倍。擎 晶铜线材与多晶铜轧制态相比，抗拉强度降低了6 5 9 7 5 ，屈服强度降低了 西安工业学院硕士论文 9 8 2 蹦延伸率增加了z 加倍，断面收缩率增加了重祝单晶连铸工业纯铝 的电阻率平均为z6 4 5 5 x 1 矿口脚，比金属型多晶试样表面细晶区降低1 1 5 筋 比中心粗晶区降低鼠j 鲥“1 。兰州理工大学丁雨田等人的研究表明“1 ，铸态单晶 铜棒在静拉伸性能、单项扭转( f 值) 性能、导电性等方面都比多晶铜棒优越， 延伸率达甜，7 1 值达到1 1 0 以上，电阻率低于j 6 8 x 1 矿口切；单晶铜棒 具有优异的室温延展性，延伸率达6 1 0 0 以上；冷拔加工后，单晶铜表现出更 大的加工硬化现象等等。上海交通大学许振明和西北工业大学的李金山等人对连 续铸造铜单晶的力学性能和电阻率的研究表明“，连铸铜单晶塑性变形的主要机 制是滑移与孪生，连铸铜单晶与多晶铸棒相比电阻率降低了1 5 5 ，与定向凝 固铸棒相比电阻率降低了重貂，o 本课题组也在这方面做了一些研究工作“7 “”1 ， 如对单晶铝线材力学性能和塑性变形机理的研究，以及塑性变形对单晶线材的电 阻率和传输信号影响方面的研究，并且都得到了一些初步的结论。包括单晶铝线 材经变形和加热后会产生高密度位错、大量的位错胞和明显的回复现象：形变和 加热处理会显著影响单晶铝线材的电阻率和传输信号的失真度，两者的平均相对 增加量分别达到n 鲥矫岔鲫。这些工作对本文的研究都有很大的借鉴作 用，特别是本课题组近期的研究工作为本文研究打下了坚实的基础。 1 2 3 金属塑性变形机理 金属塑性变形包括晶内变形和晶间变形。通过各种位错运动而实现的晶内一 部分相对于另一部分的剪切运动，使晶内变形剪切运动有不同的机制，其中最基 本的是滑移、孪生和扭折3 。只有在t 0 5 t 镕( t 镕熔化温度) 时，才有可 能出现晶间变形。在金属的塑性变形过程中，常常有几种机理起作用。具体的塑 性变形过程中各种机理的具体作用要受许多因素的影响，如晶体结构、金属的组 织、温度、应变量和应变速率等。但是，要研究复杂的塑性变形过程，弄清楚基 本的塑性变形机理是完全必要的。 ( 1 ) 滑移 晶内一部分相对于另一部分的剪切变形是通过位错运动来实现的，而位错要 运动，即使在最易运动的情况下，他也必须至少克服点阵阻力对它的阻碍才能运 动，所谓点阵阻力就是派一纳力。派尔斯、纳巴罗在经典的弹性介质假设和滑移 西安工业学院硕士论文 面上原子相互作用为原子相对位移的正弦函数假设的基础上，求出了单位长度位 错的激活能( 即派尔斯垒) 和其临晃切应力( 派一纳力) f 。，它们按指数规 律随面间距a # 口g a 氏矢量6 的比值6 而变化： 矽* 豢e x p ( - 2 m k b ) ( 11 ) f 。* - 警e x p ( 一2 m k b ) ( 1 r2 ) 上两式中，k 为系数，螺型位错k = l ，刃型位错k = l 一，其中v 为材料的泊 桑比。 因为面间距口越大、柏氏矢量越小时派一纳力越小，因此，单晶体和多晶体 中滑移变形都是沿着密排面和密排方向进行的。这些密排面和密排方向就是渭移 面和滑移方向。滑移面和位于其上的滑移方向就构成了滑移系统。面心立方晶体 的滑移变形是沿着密排的八面体平面 l l l 上的密排方向( 1 1 0 l 进行的。四个取向 不同的 1 1 l 平面中的每个平面上有三个完全位错的柏氏矢量o z 的方向 f 1 1 0 ) ，所以，面心立方晶体可能的滑移系统数为1 2 。滑移后在晶体表面上产生 滑移台阶，每一个滑移台阶就是一条滑移线，一组相隔较近的平行台阶就是一组 ( 簇) 滑移线，通常称之为滑移带。由于参与滑移过程的滑移系统的数目和组合 的情况不同，滑移线可能是平行的许多真线，这种情况是滑移过程中只有一个滑 移系统起作用产生的，称为单系滑移或单滑移；滑移线中可能有许多相互相交的 线簇，这是滑移过程中出现了多个滑移系统起作用的现象，称为多系滑移。滑移 线还可能出现折线或波浪形弯曲线段，这是在同一个滑移方向上有几个滑移面产 生滑移的现象，也就是螺型位错由一个滑移面转移到另一个滑移面时产生的，称 为交滑移。 ( 2 ) 孪生 金属在适当的条件下变形时可形成孪晶，通过变形形成的挛晶称为形变孪品 或机械孪晶。产生孪晶的过程称为孪生，孪生也是晶体变形的基本机理之。孪 生是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面和方向产生的切变，其 晶面就是孪生面，晶向就是孪生方向。但是，它和沿着滑移面上的滑移方向产生 的相对切变不同，李生要改变晶体的取向。孪生这种晶体的相对切变是沿李q 三面 7 西安工业学院硕士论文 连续依次进行的，而不像滑移那样集中在滑移面上进行。在一般情况下，孪生要 比滑移困难一些。所以，变形时，首先发生滑移，当切应力升高到一定数值时， 才出现孪生。 既然孪生这种塑性变形机理具有保持其原来的晶体结构，又改变其取向使同 原来的晶体保持对称的特点，就一定存在着一些特定的因素可以用来描述这些特 点，这些因素就称为孪生要素。孪生要素通常指的是孪生面或称第一不畸变面 足。、第二不畸变面k ，、孪生方向或称切变方向r 、切变平面与足：的交线印：和 孪生切应变s 。面心立方晶体的孪生面是 1 1 1 面( 即k 。) ，孪生方向是 方 向( 即r ) ，第二不畸变面k ，是 面，玑是 方向。面心立方金属孪生 的切应变度s = o 7 0 7 。沿密排的 1 1 1 面上的不全位错滑移过程比孪生过程要容 易得多。因此，在面心立方金属中，只有极低温或极高的应变速率时，或者在某 些合金中才出现孪晶。共格孪晶界能为层错能的一半，因此孪生的倾向随着晶体 层错能的降低而增加。 孪生时原子的移动距离随孪晶界面的距离加大而加大，因而挛晶生长时必然 使周围的基体有很大的应变，这就要求在它附近发生塑性变形( 如滑移、不均匀 塑性变形等) 来协调孪晶切变。如果基体不能和孪生切变相协调时，就会出现裂 缝。如果孪晶的一端和自由表面连接，另一端中止在晶体中部，成半透镜状，周 围基体协调后，在自由表面的孪生浮凸的旁边，同时会发生伴生的扭折带，这就 是协调变形现象，如图1 8 所示。如果一个孪晶在生长过程中遇见另一个孪晶( 如 ff f z n f m g 图1 8 和表面相交的孪晶产生的 浮凸及伴生扭折带 图1 9 孪生时产生的裂纹 a 一两孪晶相遇时：b 和品界相遇时 西安工业学院硕士论文 图1 9 a ) ，在它们的交接处产生局部很大的剪切变形，可能形成裂纹。生长着的 孪晶也可能同晶界相遇，使晶界错动。这时可能在第二个晶粒中诱发孪生，或者 产生扭折带。当切变不能协调时，在晶界旁就发生裂纹，如图1 9 b 所示。孪晶 边界对滑移可以构成一个很强的障碍，阻止滑移位错运动，造成滑移位错的塞积， 也可能因此产生裂纹。但是，孪生也有它有利于塑性变形发展的一面。孪生切应 变本身对金属塑性变形可做出一定贡献。同时，孪生改变了晶体的取向，可使原 来不易滑移的系统由于孪生引起晶体取向的改变而变得很容易滑移，因而促进了 滑移，也就促进了塑性变形能进一步发展。 ( 3 ) 扭折带和变形带 除了孪生变形本身使晶体发生取向变化外，在孪晶界附近的基体上，为了和 孪生变形协调，出现伴生扭折，也使得晶体取向发生变化，产生晶体转动。就是 本身不改变晶体取向的滑移变形，如果受到外界条件限制( 例如拉伸变形时，试 样两端夹头的限制) ，晶体也会发生转动，从而改变取向。最简单的加工方式， 由于工具的限制尚且要使得局部晶体发生转动，包含了拉、压、弯、扭等变形方 式的复杂综合的实际生产加工过程( 轧、锻、挤、拉、冲等) 中晶体会转动，会发 生再取向( 改变原来的取向) 就是不言而喻的，出现的取向差的大小程度也就不容 忽视了。晶体转动发生的晶体再取向同滑移和孪生一样，也是位错运动的结果。 例如同号刃位错垂直排列成为位错墙，形成亚晶界后，就引起宏观的晶体转动， 可产生高达几度的取向差。晶内再取向形成的不均匀塑性变形区域的形式很多， 除了形变孪晶以外，通常在金属中常见的有扭折带和形变带两种。扭折带是一种 典型的不均匀变形区域，在滑移系统很少的密排六方金属中最容易出现。图1 1 0 就是密排六方金属晶体的基面平行于压力轴时，受压缩变形而产生的一个双重扭 折带。图中平行线表示滑移基面。这种扭折带是滑移在某些部分受阻，位错在那 里堆积而成。由图可见，扭折带有一些比较明显的特征：扭折带中晶体绕在滑移 面上并垂直于滑移方向的轴转动。晶体转动后形成轮廓比较明显的楔形区，楔形 区的边界也是比较明显的，而且大体上是同基体中的滑移面垂赢的。扭折带的形 成造成晶面弯曲，显然是和刃位错的运动和分布有关的。晶体在变形过程中，为 什么有可能形成这种同号刃位错堆积而成的楔形区呢，这是在弯曲力矩作用下位 错运动的结果。如果晶体上存在着弯曲力矩的作用，弯曲力矩在晶体的滑移面上 就可能引进切应力。如果弯曲是绕滑移面内垂直于滑移方向的轴产生的，那么弯 9 西安工业学院硕士论文 曲变形引进的位错基本上是平行于弯曲轴的异号刃位错对。弯曲应力迫使一种符 号的位错移到样品( 或弯曲区) 的外面，另一种符号相同的刃位错就聚集成一种稳 定态分布如图1 1 l 所示。晶体在压缩或拉伸过程中，或者由于试样不对称，或 者工具形状和位置不准确，或者安装不够理想都可能产生弯曲变形。即使条件非 常理想，由于晶体滑移后必然要转动，也会产生弯曲变形，因而也就产生了形成 扭折带的条件。 图1 1 0 密排六方金属中的双重扭折带圈1 1 l 晶体弯曲形成的扭折带 晶体变形时，可在试样表面看到一种带状痕迹。这些带的边界是弯曲的、不 规则的，外貌可以很不相同。x 射线衍射研究得知，在带中的点阵相对于原来点 阵发生了转动，转动的程度取决于变形程度。带中取向的转动是逐次的，这就是 形变带。形变带和扭折带祥，是在特殊条件下位错运动和分布的特殊表现。形 变带和扭折带的主要不同之处在于形变带外观不规则，带内取向转动是逐渐的， 位错是经基体部分向形变带运动的。而扭折带的形成与此正相反。如前所述，位 错在扭折带内产生，一种符号的位错在带内集中成稳态分布，而另一种异号位错 则向带外散发。 ( 4 ) 晶间滑动( 晶界滑动) 晶间滑动是综合的变形机理，需要和晶内变形配合迸行，它们必须互相沸调。 因为，即使就只考虑两个晶粒的晶界这种最简单的情况，由于晶界一般说来不是 平坦的平面，两晶粒沿晶界产生相对切变时，就必须伴随其他机理来协调。 0 西安工业学院硕士论文 1 2 4 两种金属电导理论的评述与比较 固体的电学性质是人类目前应用最广泛的材料性质之一。从1 9 世纪中叶法 拉第演示他的电磁学实验，到现在的1 5 0 年间，人类已经从电子时代逐渐进入信 息时代。整个电子和信息工业硬件的主要基础理论之一，就是基于能带理论基础 上的固体的输运理论【5 2 l 。 1 9 0 0 年，特鲁德( p k l d r u d e ) 首先提出可用金属中自由电子的运动来解 释金属导电性的问题。以后，洛仑兹( h a l o r e n t z ) 进一步发展了特鲁德的概 念，建立了金属的经典电子论“3 。剐。一般金属都具有晶体结构，金属中正离子按 一定的方式排列成各种晶体点阵，从原子中分离出来的电子，可以在晶体点阵间 作无规则的热运动，通常把这种电子称为金属中的自由电子。自由电子满布在金 属体内，与容器中的气体分子很相似，所以这些自由电子也称为电子气。按气体 分子运动论，电子热运动的平均速率v = 8 七吖刀，式中k 为波耳兹曼常数， 为绝对温度，m 。为电子的质量，m 。只有氢原子质量的1 1 8 4 0 。在室温时，可以 算出电子的平均速率约为1 0 5 m s ，远大于分子热运动的速率。由于电子热运动 的不规则性，从统计的观点来说，电子的运动取任一方向的几率都相等，而且各