（材料科学与工程专业论文）纤维相强化cuag合金的织构分布及作用.pdf

浙江大学硕士学位论文贺佳：纤维相强化c u a g 台金的织构变化 摘要 本文采用强拉拔应变制备了双相纤维复合c u - 6 a g 和c u - 1 2 a g 合金线材 并采用不同温度退火，研究了合金在不同变形程度下c u 、a g 两相的形变织构以及 退火温度对织构强度和分布的影响；通过分析c u - 6 a g 和c u - 1 2 a g 合金中两 相形交织构的特点，探讨了a g 含量对合金形变织构的影响；此外，分析了织构强 度对c u - 1 2 a g 合金弹性模量的作用规律。 在铸态组织演变成纤维组织形态的过程中，c u - 1 2 a g 合金两相中优先形成 织构，此外c u 相中还可形成 和4 2 1 l 织构。织构强度随变形程度的升 高而增大，并在一定变形程度下达到最大值。变形程度再继续升高时，两相中的 织构强度下降，而c u 相的 和 织构强度基本保持不变。 在应变前期，引起织构分布变化的主要原因是位错滑移造成的晶体取向的改 变。当应变超过一定程度最。界面切变导致晶体取向的改变也成为弓i 起织构分布 变化的重要影响因素。 随退火温度升高到4 0 0 。c ，c u 相中 织构强度降低而 强度上升，a g 相中 织构强度变化不明显，退火温度高于4 0 0 c 以后，两相中的织构强度均 有所增加。在较低的退火温度下，应变形成的a g 相织构稳定性高于c u 相，退火 过程中的相界面迁移、复合组织的聚集、纤维相的球化及等轴晶粒的粗化等过程 导致了形交织构分量相对强度的变化雨形成退火织构，因而退火织构的组成与形 变织构的组成相同。 不同a g 含量的c u - a g 合金的初始组织中共晶体含量不同，使得不同类型界 面的辐对数量有历差剐，最终导致了织构强度的不同。c u - 6 a g 合金在相同应变 条件下形成的织构类型与c u - 1 2 a g 合金相同，但c u - 6 a g 的c u 相 织构 强度小于c u - 1 2 a g 的c u 相 织构强度，而a g 相 织构强度大于c u - 1 2 a g 的a g 福 织构强度。 形变时织构的分布和强度是影响c u - 1 2 a g 合金弹性模量的重要因素之， 但由于形变过程中同样存在其它因素共同影响合金弹性模量，弹性模量与织构强 度之间不存在规受i j 的交化规律。退火过程中，合金组织存在的回复和再结晶过程 浙江大学硕士学位论文贺佳；纤维相强化c u a g 合金的织构变化 会显著改变合金弹性模量，织构强度的变化不再是显著影响合金的弹性模量的重 要因素。 关键词：c u - a g 合金，冷拉拔，纤维相复合，形变，退火，a g 含量，晶体织构， 弹性模量 浙江大学硕士学位论文贸佳：纤维相强化c e - a g 合金的织构变化 a b s t r a c t c u - 6 a ga n dc u - 1 2 a gs t r e n g t h e n e db yt h ed o u b l e - p h a s ef i l a m e n t a r y c o m p o s i t e sw c l ep r e p a r e db yh e a v yd r a w i n ga n da n n c a l m ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r 器 t h ei n t e 璐i t ya n dd i s t r i b u t i o no fc r y s t a lt e 麓h 聪i nb o t hc ua n da gp h a s e sw e 犯 i n v e s t i g a t e df o r t h ec o m p o s i t e su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n td r a w i n gr a t i o ，a n d t h ee f f e c to fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e0 1 1t h ei n t e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o no fc r y s t a lt e x t u r e w f i sa l s oi n v e s t i g a t e db ya 恤e a l i n gt h ec o m p o s i t e s 毹d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h e e f f e c to fa gc o n t e n to nt h ei n t e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o no fd e f o r m a t i o nt e x t u r ew 鹤 d i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd e f o r m a t i o nt e x t u r eo fb o t hc ua n da g p h a s e si nc u 6 a ga n dc u - 1 2 a g b e s i d e s 。t h ee f f e c to ft e x t u r ei a t e n s i t yo n e l a s t i cm o d l l l 璐o f c u - 1 2 a ga l l o yw a g i n v e s t i g a t e d i nb o t hc ua n da gp h a s e s ， c o m p o n e n tc a nb ep r e f e r e n t i a l l yf o r m e d d u r i n gt h ee v o l u t i o no fa s - e a s tm i c r o s l r u c t u r ei n t of i l a m e n t a r ym o r p h o l o g y t h e r ea r e a l s o a n d c o m p o n e n t si nc up h a s eb e s i d e s c o m p o n e n t t h e t c g t l l r ei n t e n s i t yi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gd r a w i n gs t r a i na n dc a l lr e a c ham a x i i i i l l i ia t ac e r t a i nd r a wr a t i o o n c ed r a w i n gs t r a i ni sh i g h e rt h a nt h ec e r t a i nd r a wr a t i o ，t h e i n t e n s i f i e so f a n d c o m p o n e n t si nc up h a s em a i n t a i na l la p p r o x i m a t e c o n s t a l i tb u tt h ei n t e n s i t yo f c o m p o n e n td e c r e a s e si nb o t hc ua n da g p h a s e s t h ec h a n g eo fc r y s t a lo r i e n t a t i o ni n d u c e db yd i s l o c a t i o ng l i d eo ns l i pp l a n e si s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o rt h ec h a n g eo ft e x t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h er a n g eo fl o w e r d r a w i n gs t r a i 几h o w e v e r , i n t e r f a c es h e a r i n gc a np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nr e m o d i f y i n g c r y s t a lo r i e n t a t i o no rv a r y i n gt e x t u r ed i s u i b u t i o na sd r a w i n gs t r a i ne x c e e d sa ( 3 e l l a i n d e g r e e w i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e 叩t o4 0 0 c ，t h e c o m p o n e n t i n t e n s i t yd e c r e a s e sa n dt h e c o m p o n e n ti n t e m i t yi n c r e a s e si nc up h a s ew h i l e t h e c o m p o n e n ti n t e n s i t yi na gp h a s ec h a n g e si n s i g n i f i c a n t l y a n n e a l i n ga t t e m p e r a t u r e sh i g h e rt h a n4 0 0 。ce r h a n c e st h et e x t u r ei n t e n s i t i e si nb o 血c ua n da g p h a s e s t h et e x t u r ef o r m e db yh e a v yd r a w i n gi na gp h a s ei sm o r es t a b l et h a nt h a ti n c up h a s ef o rt h ec o m p o s i t ea n n e a l e da tl o w e rt e m p e r a t u r e s t h ei n t e r f a c em i g r a t i n g n l 浙江大学硕士学位论文 贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 s t r u c t u r ea g g r e g a t i n g , f i b e rg l o m e r a t i n g , a n dg r a i np r o p a g a t i n gf r o ml e c o v c ra n d r e c r y s t a l l i z a t i o ni na n n e a l i n gp r o c e s sg e n e r a l l yc h a n g et h ei n t e n s i t i e so ft h et e x t u r e c o m p o n e n t sf o r m e db yh e a v yd r a w i n gt of o r ma n n e a l i n gt e x t u r e t h e r e f o r e ，t h e a n n c a l i n gt e x t u r ec o m p o n e n t sh a v et h el 暨l n l eo r i e n t a t i o ni n d e x e sa st h ed e f o r m a t i o n t e x t u r ec o m p o n e n t s d u et ot h ed i f f e r e n c eo fe u t e c t i cq u a n t i t yi ni n i t i a ls l n l c t u r eo ft h et w oa l l o y s w i t hd i f f e r e n ta gc o n t e n t , t h er e l a t i v eq u a n t i t yo fd i f f e r e n tk i n d so fi n t e r f a c ei s d i f f e r e n t , w h i c hu l t i m a t e l yr e s u l t si nt h ed i 伍c l c n g eo ft e x t u r ei n t e n s i t yo ft h et w o a l l o y s mc o m p o n e n t so fd e f o r m a t i o nt e x t u r ei nc u - 6 a ga r cs i m i l a rt ot h o s ei n c u - 1 2 a gu 1 1 d e l t h ec o n d i t i o no f t h es 锄ed r a w i n gr a t i o h o w e g o r , t h ei n t e n s i t yo f c o m p o n e n to fc up h a s ei nc u - 6 a gi sh i g h e rt h a nt h a ti nc u - 1 2 a g ，a n d t h ei n t e n s i t yo f c o m p o n e n to fa gp h a s ei nc u - 6 a gi sl o w e rt h a nt h a ti n c u - 1 2 a g t h e d i s t r i b u t i o n a n d i n t e n s i t y o f d e f o r m a t i o n t e x t u r e i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r si n f l u e n c i n ge l a s t i cm o d u l u so f c u - 1 2 a ga l l o y h o w e v e r , d u et ot h ef a c tt h a t o t h e ri n f l u c i n gf a c t o r sa l s oe x i s ti nd r a w i n gp r o c e s s ，t h e r ei sn or e g u l a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ne l a s t i cm o d u l u sa n dt e x t u r ei n t e n s i t y b e c a u s er e v e r s i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o n i na n n e a l i n gp r o c e s sc a l ls i g n i f i c a n t l yc h a n g et h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ea l l o y , t h e v a r i a t i o no f 自c t m 蟹i n t e n s i t yi sn o to n eo ft h ei m p o r t a n tf a t o r si n f l u e n c i n ge l a s t i c m o d u l u s k e yw o r d s ：c u - a ga l l o y , c o l dd r a w i n g ，f i l a m e n t a r ym i c r o c o m p o s i t e ，d r a w i n gs t r a i n , a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，a gc o n t e n t , c r y s t a lt e x t u r e ，e l a s t i cm o d u l u s i v 浙江大学硕士学位论文 贺佳：纤维相强化c u o a g 台金的织构变化 引言 强磁场作为极端条件是揭示某些特定物理现象的有效手段。由于产生磁场的 强电流会在磁体绕组内产生高j o u l e 热和强l o r o n t z 力，因而对导体材料的强度和 力学性能提出了较高的要求。强磁场导体材料必须同时具有至少1 0 0 0 m p a 以上的 抗拉强度和6 0 i a c s ( 相对电导率) 以上的电导率才能满足要求。在众多被开发 的性能优良的高强高导合金中，c u - f e 、c u - z r 、c u - a g 、c u - c r 、c u - t a 、c u - a 1 2 0 3 、 c u - t i 、c u - a g - n b 、c u - a g - c r 等各类c u 合金一直是研究的重点。c u - a g 合金因 具有更为突出的强度和导电性能的匹配关系而一直备受关注 在c u - a g 合金研究中，选择合理的强化手段在保证材料导电性能的同时提高 材料的强度十分关键。由于第二相对导电率的影响远小于固溶在c u 基体中的原 子，因此第二相强化成为了应用最广的获得高导电高强度c u 合金的强化方法。 根据第二相生成方式的不同，可分为析出强化、弥散强化和自生原位复合强化等。 根据第二相形状的不同，也可分为颗粒增强和纤维增强。另外，人为向c u 基体 中加入第二相颗粒、晶须、纤维对c u 基体进行强化的人工复合材料法也可以提 高材料的强度，但是这种方法容易在材料内部形成严重缺陷，使导电性能变差。 相比较而言，纤维相增强原位复合法可以使合金在获得高强度的同时仍然保持良 好导电性能。因此，纤维相复合强化c u - a g 合金具有重要的研究价值并有望成为 强磁场磁体结构设计中优先选择的导体材料。 在c u 中添加超过极限溶解度的a g 得到双相组织，经冷拉拔达到一定变形程 度后组织中可以原位形成细密的a g 纤维复合体，使合金成为纤维相增强复合材 料，合金可以在保持较高导电性能的同时具有高的强度。若配合适当的热处理过 程，合金的力学性能和导电性能都会有所提高。 强烈的应变在形成原位合理分布纤维相组织的同时，会在组织中形成明显的 晶体学织构，其产生和演化与材料的变形过程密切相关，并且直接影响材料的力 学性能，因此研究双相纤维复合c u - a g 合金组织纤维化过程中各相形交织构的组 成、分布及强度随变形程度的变化规律有助于有效分析和解释纤维化过程中材料 的性能变化。当合金退火时，具有高密度晶体缺陷的纤维复合组织会发生回复和 再结晶从而改变形交织构的分布状态，导致形变织构向退火织构转变。织构分布 的变化会引起合金性能的改变，因而研究c u - a g 合金中各相织构组成、分布及强 浙江大学硕士学位论文 贺佳；纤维相强化c u 心台金的织构变化 度在不同热处理条件下的变化规律也显得十分重要。另外，合金成分的变化也同 样影响形变织构的组成与强度，因此有必要研究c u - a g 合金的织构强度随a g 含 量的变化规律。 目前，已有大量有关c u - a g 合金显微组织、力学性能和电学性能的研究。在 这些研究结果中虽然也有指出合金在冷加工过程中形变织构的形成，但有关 c u - a g 合金在加工过程中织构组成和强度变化的系统研究还很少，合金在退火过 程中织构组成和强度变化的深入研究更是鲜有人涉及。 本研究采用形变原位复合技术制备了c u - 1 2 a g 和c u - 6 a g 合金线材，并 在不同温度下退火，通过测定不同衍射面极图，得到不同状态下材料的织构组成、 分布及强度，分析了不同变形程度、不同热处理温度和不同a g 含量条件下c u - a g 合金的织构变化规律以及织构分布和强度对合金弹性模量的影响。 2 浙江大学项士学位论文 贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 第一章绪论 作为在非常规环境中研究特殊物理现象的最有效手段，强磁场科学与技术已 被用于揭示物质本征行为的基础理论研究。然而，产生强磁场所需要的强励磁电 流会产生相当高的l o r e n t z 力和j o u l e 热，需要磁体线圈系统中的导体材料具有优 良的抗拉强度和导电性能，但目前的常规导体材料无法满足要求，已成为限制强 磁场科技发展自叮主要障碍之一f 1 1 0 l 。在这种需求背景下，某些具有纤维相复合强 化结构的新型导体合金如c u - f e 、c u - c r 、c u - n b 及c u - a g 等正在不断被研制删。 这些合金的显微组织一般是通过强拉拔或轧制形成纳米尺度的纤维复合体 ( m i c r o c o m p o s i t e ) 结构，其中高密度的纤维相界面能够提供有效的变形抗力，因 而具有较高强度水平【1 2 ，嘲。除在强磁场应用之外，纤维相复合强化合金在超大规 模集成电路引线框架及高速电气化列车输电接触线中也颇具发展前景。 在已经研究并发展的纤维相复合强化导体材料中，c u - a g 合金显示了比其它 合金更为优良的力学和电学性能匹配关系，因而最具研究价值和有希望成为强磁 场磁体结构设计中优先选择的导体材料 3 6 - 4 1 1 。由于c u - a g 合金中的c u 、a g 两相 为面心立方一面心立方晶体结构，有相似的应变特性和相同的滑移系，因而对材 料实施合适的塑性变形和中间热处理工艺，可以比较容易地使原始组织原位演变 为合理分布的纳米纤维复合结构，这种良好的应变相容性可以将应交硬化效应和 纤维相强化效应有机结合，使材料具有超出常规导体材料强度的同时，仍然可以 保持良好的导电性能 4 0 - 4 1 。 1 1c u a g 合金的研究背景 i i 1 纤维相强化c u 基复合材料 强度和电导率之间的矛盾一直存在于c u 合金导体材料的研究和制备中。只 有选择合理的强化手段，才可能实现材料的强度和电导率的良好匹配。由于第二 相对导电率的影响远小于固溶在c u 基体中的原子，第二相强化成为应用最广的 获得高导电高强度c u 合金的强化方法。纤维增强是第二相强化中非常有效的强 化方法之一，均匀且定向排列的第二相纤维可使第二相强化作用得到最大发挥， 浙江大学硬士学位论文贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 高强度的第二相纤维成为载荷的主要承担者，基体金属仅起着连接纤维相、向纤 维相传递受载时的应力及在部分纤维断裂时承担局部载荷的作用，这种材料的强 度在很大程度上取决于纤维相的强度。另外，纤维相的分布与电流方向一致时， 纤维相对c u 基体导电性能影响较小，从而有可能有效地解决提高强度必须牺牲 较多电导率的矛盾。纤维增强c u 基体原位复合方法由于可以使c u 合金获得高强 度的同时保持良好性能导电而成为研究领域的重点口l - 2 4 1 纤维相强化c u 基复合材料中一般包含两相，通常由c u 基体和高熔点体心立 方过渡族金属( 如n b 、m o 、t a 、v 、c r 等) 或者面心立方金属a g 的第二相构 成。两相均可在合金凝固过程中原位生成，超过极限溶解度的元素以第二相形式 存在于凝固态合金中，此后在变形加工过程中演变为纤维状，直径和间距达到微 米甚至纳米数量级。当纤维相间距小于微米或达到纳米级别时，纤维相的强化作 用可使合金力学性能显著提高，不再符合两相强度叠加原则1 4 ，1 0 , 3 1 , 3 2 1 。 具有体心立方结构强化相的c u 合金往往比具有面心立方结构强化相的c u 合 金具有更高的强度。包含体心立方结构强化相的c u 合金如c u - f e 、c u - c r 、c u - n b 等合金已得到了广泛研究【”埘1 。在这些合金中，体心立方相首先作为初生枝晶存 在于c u 基体中，冷加工形成强烈织构，使体心立方相在基体中呈层片状分布。 与其他合金相比，由于c u - n b 合金在获得高强度的同时可以保持较高的电导率， 因而作为强磁场导体材料得到更为广泛的研究。c u - n b 合金经过冷变形可形成直 径为1 0 1 0 0 0n m 的n b 纤维相，抗拉强度随变形程度的增加而迅速增大，在达到 一定变形程度后，强度会远超过根据两相叠加原则预测的结果，甚至接近材料理 论强度。对于这种情况，s p i t z i g 等【4 8 ，4 f l 认为强化效应主要来自面心立方的c u 基 体与体心立方的n b 纤维相界面，此界面作为阻止塑性流变的障碍，而f u n k e n b u s c h 等5 0 ，5 1 】则认为两相塑性变形能力的不协调性导致位错的增加才是引起强化效应 的主要原因。 在c u - n b 合金研究的基础上，面心立方一面心立方体系c u - a g 合金的研究近 年来受到越来越多的重视。在c u 中添加超过极限溶解度的a g 可以得到双相组织。 对合金冷拉拔达到一定变形度后，组织中可以形成细密的纤维结构，从而使合金 成为纤维增强双相复合材料。合金中除产生加工硬化效应外，还叠加了纤维相强 化效应，导致强度大幅上升。冷加工过程中形成的明显晶体学织构也会影响材料 的性能。研究表明【4 l 】，虽然两种合金的强度都随变形程度的增加而增大，但c u - a g 4 浙江大学硕士学位论文 贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 合金的强度增加更快，纤维直径随变形程度的增加而变细，在同等变形程度下， c u - a g 合金的纤维直径几乎只有c u o n b 合金的二分之一。c u - a g 合金在冷加工断 面收缩率超过9 3 时就显示出良好的力学性能。相比之下，c u - n b 合金要达到如 此高的强度，必须进行深度冷j n - r ，其断面收缩率应该超过9 9 9 7 c u - a g 合金的另一个优点是容易熔炼和铸造成为大型锭坯，又因其熔化温度 低和化学稳定性好而具有优异的显微组织和物理性能均匀性，同时商用丝材和带 材的性能再现性也较好心5 2 , 蜘。c u - a g 合金属于面心立方一面心立方晶体点阵结 构，两相具有相同的滑移系，能在应变和组织细化中保持相似的变形能力，相界 面对电子散射的作用明显低于c u - n b 合金，使得c u - a g 合金具有更高的电导率， 能够达到强度和电导率的优良匹配。因此c u - a g 合金代替c u - n b 合金逐渐成为近 些年来双相纤维复合材料的研究重点，并在诸多领域具有良好的应用前景。 1 1 2 高强高导c u a g 合金在强磁场中的应用 近年来科学技术的飞速发展使得强磁场技术得到了非常广泛的应用。强磁场 作为极端条件是揭示物质内部自由度的最有效手段，是科学研究的一个重要工具。 如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和界面微观物体中的物理 问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机超导体的机理和 磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及 元激发及其互作用研究等等。强磁场下的研究工作将有助于这些问题的正确认识 和揭示，从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。另外，强磁场还有着广泛 的应用前景，如超导电性、金属超晶格、聚合物科学、磁共振和成像、磁性材料、 晶体生长、磁分离、磁储能、聚变磁体和磁悬浮等瞄，$ 4 1 。 但是，强磁场技术的发展受到磁体系统中线圈导体材料性能的限制。随着 c u - n b 和c u - a g 等高强高导合金作为磁体线圈导体材料的研制成功，以及磁体设 计水平和水冷技术的提高，使建立超过4 0t 的更高场强的混合磁体成为可斛5 5 1 。 同时，1 0 0t 以脉冲强磁场技术逐渐受到重视【5 5 ，5 6 l ，美国、日本和欧洲大型脉冲 强磁场实验室拥有5 0t 及以下的脉冲磁场的成熟技术，并在设计制造高性能的 5 0 1 0 0 t 的长脉冲强磁场和1 0 0 t 以上的非破坏性脉冲磁场【5 6 1 。为了产生强磁场， 磁体绕组上需加载数百千安甚至数千千安的电流，产生的j o u l e 热会使磁体温度 迅速上升，因此通常会将磁体放在液氮中冷却保护。脉冲强磁场研制中的另一个 浙江大学硕士学位论文贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 问题是励磁过程中产生的巨大l o r e n t z 力，它是目前限制强磁场发展的主要障碍。 在磁场中，磁体能承受的应力决定了磁场可以达到的强度，而温升则决定了磁场 的脉冲宽度。前者需要材料具有更高的抗拉强度以抵抗l o r e n t z 力，后者需要材 料同时具有高导电性以减少j o u l e 热。即在强磁场中工作的导线必须具有至少1 0 0 0 m p a 以上的抗拉强度以抵抗强的l o r e n t z 力，同时又必须具有6 0 l c s 以上的导 电率以避免产生高的j o u l e 热。对于5 0t 及以下的磁场，冷拉硬纯铜的强度就能 满足要求。对于5 0t 以上的磁场，在2 0 世纪9 0 年代前通常使用的材料是c u - 1 8 n b 合金，近年来，具有纤维强化复合结构的c u - a g 合金由于具有比c u - n b 合金 更加优越的性能而受到重视。 1 1 3 高强高导c u a g 合金在其他领域中的应用前景 引线框架材料作为集成电路封装的一种主要结构材料，在电路中主要起承载 i c 芯片、连接芯片与外部线路板电信号以及安装固定的机械作用等。引线框架材 料需要具有良好的导电、导热性能以减小阻抗、快速散热，具有合适的热膨胀性 能以实现与芯片间的热匹配，同时需要良好的强度和硬度以满足封装工艺和芯片 使用的需要。随着i c 向高密度、小型化、大功率、低成本方向发展，集成电路 f o 数目增多、引脚间距减少，对引线框架材料提出了高强度、高导电、高导热 等多方面的要求。8 0 年代以来，铜合金因其具有高导电、高导热及价格低等特点， 逐渐替代可伐合金与f e n i 4 2 合金，成为制造引线框架的主要材料【2 5 ，5 7 1 。但是，随 着半导体行业的飞速发展，超大规模集成电路对引线框架材料的要求也越来越高。 仍然有必要开发性能更加优越的合金以同时满足对材料强度、导电性和加工性能 等方面的要求。目前，高强高导c u - a g 合金是强度和电导率匹配关系最佳的c u 合金之一，同时具有良好的形变加工能力，如果能够进一步降低合金成本，则可 在大范围应用于引线框架材料中。 随着电气化列车向高速、重载发展，对输电接触线的材质提出了更高的要求。 为实现电气化列车的高速化，必须使受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定 的受流状态，降低离线率。高速电气化铁路提速的关键就是提高接触导线的波动 传播速度，以提高接触网的稳定性，改善受流质量解决此问题的有效方法便是 增大接触线的架线张力，前提是必须首先要提高接触线材料的抗拉强度。另外， 若保证电气化列车能够有效地发挥其高速和重载能力，则必须提高接触导线的载 6 浙江大学硕士学位论文 贺佳：纤维相强化c u a g 合金的织构变化 流量，而增加载流量最有效的方法是提高接触导线的导电性能，或者要求其电导 率应高于7 0 i a c s 以上。铜作为高速列车接触线的基本材料，具有优良的导电 性，但强度有限，仅适用于准高速铁路，不能用于高速列车。为提高铜导体材料 的力学性能，一般可以采用合金化方法【5 蝴，但利用合金化方法提高导体材料强度 往往存在使导电性能受损的不利影响。因此，常规导体材料强度和导电性能的局 限性已成为制约高速电气化列车进一步发展和应用的主要制约因素之一。如何达 到使导体材料具有高强度和高导电性的有机结合实际上已成为目前高速列车用接 触线的主要研究方向嗍。在这些材料的研究中，c u - a g 原位复合材料由于具有更 好的高强和高导之间的匹配关系而在此领域中颇具发展前景。 1 2c u a g 合金研究现状 1 2 1c u - a g 合金组织结构 含a g 在6 以下的c u - a g 合金只有单一的富c u 固溶体( a 相) 。含a g 在 6 以上的合金，在初生a 相枝晶间隙出现富a g 固溶体( 夕相) ，含a g6 , - - 1 5 的合金中口相数量较少，一般作为单相存在于a 枝晶问而不包含共晶组织。再随 着垂g 含量的增加，初生a 相贝i j 逐渐减少，而处于初生a 相枝晶间的第二相逐渐 发展成连续的层状共晶组织。当合金a g 含量达到共晶成分( 7 1 9 ) 时，全部组 织成为由d 、口两相层叠构成的共晶组织【l 】 铸态初生珏枝晶尺寸不随a g 含量的改变而变化，而主要取决于合金的凝固 条件和浇铸冷却速度，冷却速度越快，a 枝晶的尺寸越小，铸态组织也就越细密【4 l ， 6 0 l 。为获得较细晶粒，制备合金时经常采用较快凝固速率，因此在a g 含量低于 c u 基体极限固溶度的合金如c u - 6 a g 的原始初晶树枝间隙中，往往存在少量的 非平衡共晶组织【1 4 6 , 6 3 , 6 4 。 在冷拉拔或轧制期间，不同形态的组织组成物均被拉长并演变为弥散分布的 纤维形态而成为纳米纤维复合体1 1 s ，3 7 。纤维复合体中的增强纤维主要来自共晶 体，其形态与分布取决于原始共晶组织的体积分数及富c u 初晶的尺寸 4 1 - 4 7 , 6 3 , 6 4 1 。 有少量非平衡共晶的c u - 6 a g 合金在经受强烈应变后，共晶体转变为直径约6 0 n m 的纤维，一些均匀化或中间热处理中析出的次生相转变为直径约2 0n m 的纤 维，两种类型的纤维组合在一起呈束状分布，每个纤维束中有若干根共晶体演变 7 塑堡查兰堡圭堂竺丝兰堡堡! 堑丝塑塑些! ! 兰童叁塑墨塑壅些 而来的纤维，周围围绕着更细的由次生相粒子演变而来的纤维，添加第三组元c r 能够使共晶纤维分布更为弥散并使次生相纤维数量降低 6 3 ，州。 随合金中a g 含量增加，共晶体数量增加。在中等a g 含量的c u - 1 2 a g 合 金中，原始共晶体已形成孤立的岛状分布 6 5 ，6 6 。继续增加a g 含量至2 4 时，共 晶体由孤立的岛状分布逐渐演变为包围树枝状初晶的连续网状分布，且网壁厚度 不断增加【3 7 3 8 删。 当a g 含量达到7 1 9 时，原始组织全部转变为共晶体，拉拔塑性变形后则 全部转变为共晶纤维束，其中存在大量孪晶和层错，当应变使原始组织断面收缩 率达到9 9 时，出现的位错密度最大，约为1 0 1 2 1 0 1 4c m - 2 1 6 3 然而，当继续塑 性变形使纤维直径小于5 0n m 后，位错密度反而下降。这种强应变后位错密度下 降的现象在c u - 2 4 a g 合金中也能够被观察到嗍。 纳米纤维复合结构在不同温度显示了不同的稳定性。对于c u - 1 2 a g 合金 的纤维组织，在3 0 0 。c 退火时因再结晶动力学条件有限，再结晶形核和晶粒生长 时晶界基本不能跨越纤维界面，即纤维组织虽然能够发生再结晶，但组织仍未脱 离原始纤维形态嗍。在4 0 0 c 退火时，再结晶晶界迁移有能力超越纤维界面，使 纤维组织局部收缩、分离并聚合。当退火温度提高到5 0 0 c 后，纤维组织发生强 烈再结晶而彻底失稳，演变为等轴晶粒，纤维复合形态基本消失。可以利用再结 晶以上温度纤维组织的不稳定性对c u - a g 合金进行超塑性变形，在一定应变速率 和温度下超塑性变形后，原纤维组织形态和内部位错分布状态会发生一定程度的 改变【4 3 6 7 , 6 s 。 1 2 2c u - a g 合金力学性能及电学性能 文献 6 0 3 研究发现，经过定变形后的合金，随a g 含量的增加，抗拉强度上 升。在a g 含量较低时，随a g 含量增加抗拉强度增加得很快，但当a g 含量在 1 6 0 一3 0 范围内变化时，强度的增加趋于平缓。 由于c u - a g 合金必须要有非常大的拉伸变形才能获得明显的纤维强化效应， 所以合金性能与变形程度密切相关。在冷加工初期，合金强度增加趋势平缓，随 着叩的增大，合金强度增加趋势变快。例如，对于c u - 2 4 a g 合金，叮= 4 0 左右 时合金抗拉强度可以达到7 0 0 - 9 0 0m p a ，”；5 0 时可达9 0 0 - - - 1 1 0 0m p a ，当叩达到 6 8 以后，强度增加更为明显，可以达到1 5 0 0m p a 以上。a g 含量在1 5 - , 3 5 之 矗 浙江大学硕士学位论文贺佳：纤维相强化c u - a g 合金的织构变化 间的合金在， 1 0 以后流变应力接近2 0 0 0m p a ，如果改善加工工艺还可以进一步 提高强度 6 0 彻。 随着玎增大，合金加工性能下降，缺口敏感性增大1 3 8 , 硼。由于实际应用中脉 冲磁体一般要在最低为7 7k 的温度条件下工作，所以要求合金导线在低温下也具 有良好的性能。对于c u - a g 合金导体材料，在低温下的强度反两有所提高p 8 蜘， 能够满足使用条件的要求。 c 1 1 a g 合金电导率比纯c u 或纯a g 都低，合金导电率一般随a g 含量的增加 而呈一定的下降趋势【1 ，删。在a g 含量较低时，随a g 含量增加导电率下降得很快。 当a g 含量在1 6 3 0 范围内变化时，导电率变化趋于平缓。对于含a g 为 6 0 一2 4 的合金在玎左右时导电率可以保持在8 0 i a c s 左右，当变形程度增 大到 - - - 7 时，导电率则下降到6 5 - 7 0 i a c s t 9 l 。具有共晶成分的合金电导率随 变形程度下降的更为明显b i t , 6 2 l 。 1 2 3c u a g 合金织构 早期的研究结果认为c u 经过拉拔变形后可以获得 和 两种织构， 两种织构的比例为2 ：3 ，a g 在拉拔变形后同样获得 和 织构，其比例为 5 ：1 乒随后的研究迸一步证实了拉拔变形使同为面心立方金属的c u 和a g 产生 和 丝织构，但两种织构的比例精确为3 4 ：6 6 和5 4 ：4 6 1 7 9 1 。 h o n g 等对c u - a g 和c u - n b 两种冷拉拔双相纤维材料进行了研究，得到冷 拉拔c l 卜a g 合金的c u 、a g 两相存在 丝织构，而冷拉拔c u - n b 合金的c u 相形成 丝织构，n b 相形成 丝织构。h 孤【舯】等对c u - 2 5 a g 微观组织 和力学性能的研究中同时测定了铸、锻及拉拔态的织构，表明拉拔变形可导致矩 形截面试样中出现 1 1 0 、 1 1 2 2 及 1 1 0 板织构，并且在富c u 相纤维中的织构强度要高于在富a g 相中的织构强度。 b r o k m e i e r l 6 9 等对c u - f e 合金在不同变形程度下的织构分布进行过研究，得出 体心立方的f c 相的织构为 ，面心立方的c u 相的织构为 和 。所 有类型织构的强度随变形程度的变化趋势基本一致。当v o nm i s e s 变形程度小于 o 5 时，变形程度增大会引起织构强度微弱降低，随后随v o nm i s e s 变形程度增加 到2 5 ，织构的强度不断升高。当v o n m i s e s 变形程度超过2 5 以后，织构强度又 有所下降。b r o k m e i e r 认为此时织构强度的下降是由于c u 和f e 相的晶粒卷曲造 9 浙江大学硕士学位论文贺佳z 纤维相强化c u - a g 台金的织构变化 成的。目前关于双相纤维复合c u - a g 合金的织构强度随变形程度变化的规律的研 究还较少。 工业纯c u 在低于1 0 0 0 。c 退火，织构不产生变化，温度高于1 0 0 0 c 时，产