（材料科学与工程专业论文）预备热处理对纤维相复合强化cuag合金组织与性能的影响.pdf

浙江人学硕i ：学位论文林剑；顶备热处理对纤维相复台强化c u a g 合金组织与性能的影响 摘要 本文结合不同工艺的固溶及时效处理制备了c u - 6 a g 、c u - 1 2 a g 以及 c u - 2 4 a g ( 质量百分数。下同) - - 种成分合会。研究了这三种c u - a g 合金在4 5 0 c 时效 过程中组织与性能的变化规律，并着重探讨了不同工艺时效处理对c u - 6 a g 合金组织 与性能的影响。采用冷加工结合固溶及时效处理工艺，制备了纤维相复合强化c u - 6 a g 合金线材，探讨了在应变过程中时效处理对c u - 6 a g 合：会组织与性能的影响。 在4 5 0 。c 时效过程中，不连续析出主要发生在c u 枝晶的大角度晶界处，而连续析 出主要发生在c u 晶粒内部。由于大量大角度晶界的存在，c u - 6 a g 舍金中几乎只观察 到了不连续析出相，而在具有网状共晶体结构的c u - 2 4 a g 中a g 相主要以连续析出方 式析出，对于c u - 1 2 a g a g 的两种析出方式同时存在。4 5 0 。c 时效lh 时连续或不连 续析出均未充分进行。当时效时问延长至lh 以上时，合会硬度增长速率减缓。当时效 时间由1 6 h 延长至3 7 h 时，c u - 1 2 a g 和c u - 2 4 a g 的硬度值不再显著变化，而c u - 6 a g 的硬度值却有所下降。时效过程中析出强化对低a g 含量的c u - a g 合金硬度的影响最为 显著。 c u - 6 a g 合会经7 3 0 c 8h + 7 6 0 c 4h + 7 8 0 c 4h 固溶处理后，其组织仅由单一的 过饱和固溶体组成。继续进行时效处理后，组织由c u 基体和次生a g 相组成。在时效过 程中，c u - 6 a g 合会的硬度随时效时间的变化曲线总体呈峰形，硬度先升高后下降。时 效温度的变化对峰值的位置产生影响。c u - 6 a g 合会的电导率随时效时间延长呈上升趋 势。时效温度的高低对合会电导率丌始上升对应的时效时日j 及增长速率造成影响。 时效处理能够显著提高c u - 6 a g 合会在冷变形过程中的强度，同时提高c u - 6 a g 合会的切始电导率。提高时效温度或延长时效时间，能够促进次生a g 相更多地从基体 中析出，可以增加冷变形后期合金强度继续提高的空| 日j ，同时获得更高合金的初始电导 率。采用固溶及4 5 0 。c 3 2h 时效处理，在，7 = 7 0 时获得较佳的综合性能匹配，抗拉强度 达到1 3 2 0 m p a ，同时电导率保持在6 7 6 i a c s 。采用固溶及4 5 0 。c 忍h 时效处理时，相 同变形程度下抗拉强度也达到1 31 0m p a ，同时电导率保持在6 8 3 i a c s 。 关键词：c u - a g 合会，固溶处理，时效处理，显微组织，力学性能，电学性能 哳江人学坝i ：学位论文 林剑：顾蔷热处理对纤维相复合强化c u a g 台金组织与性能的影响 a b s t r a c t c u 6 a g ，c u 1 2 a ga n dc u 一2 4 a g ( m a s sf r a c t i o n ) a l l o y sw e r ep r e p a r e db y v a c u u mm e l t i n ga n dp r e a n n e a l e dw i t l ld i f f e r e n tp r o c e s s e s t h em i e r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u - a ga l l o y sd u r i n ga g i n gt r e a t m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d t h e e f f e c to fa g i n gt r e a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc u - 6 a g a l l o y sw a sd i s c u s s e d c u - 6 a gf i l a m e n t a r ym i c r o c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yh e a v y c o l dd r a w i n gc o m b i n e dw i t hs o l i ds o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n tw i t l ld i f f e r e n tp r o c e s s e s 1 1 1 ee f f e c to fa g i n gt r e a t m e n tw a si n v e s t i g a t e db yo b s e r v i n gt h em i c r o s t r u e t a r ea n d d e t e r m i n i n gt h em e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gc o l dd r a w i n g d u r i n ga g i n gt r e a t m e n t ，d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o nr e a c t i o nc a no c c u ra l o n g h i g h - a n g l eg r a i nb o u n d a r i e sa n dc o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o nr e a c t i o nw i t h i nc ud e n d r i t i c a r m s a b u n d a n th i g h a n g l eg r a i nb o u n d a r i e sr e s u l ti nap r e c i p i t a t i o nr e a c t i o nt h a ti s p r e d o m i n a n t l yd i s c o n t i n u o u si nc u 6 a g n e t l i k ee u t e c t i cc o l o n i e ss u r r o u n d i n gc u d e n d r i t i ca r n l sr e s u l ti nap r e c i p i t a t i o nr e a c t i o nt h a ti sp r e d o m i n a n t l yc o n t i n u o u si n c u 一2 4 a g i nc u 一1 2 a g c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e sw i t h i nc ud e n d r i t i cc o e x i s t 、i t l l d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t e sn e x tt oh i g h a n g l eg r a i nb o u n d a r i e s a g i n go n l yf o rlhc a n s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h eh a r d n e s sa l t h o u g ht h ep r e c i p i t a t i o nr e a c t i o ni si n s u 仿c i e n t t h ei n c r e a s i n gr a t eo ft h eh a r d n e s sb e c o m e ss l o wa sa g i n gt i m el o n g e rt h a n1h t h e h a r d n e s sk e e p sa p p r o x i m a t e l yc o n s t a n tf o rc u - 12 a ga n dc u - 2 4 a ga n ds l i g h t l y d e c r e a s e sf o rc u 6 a gw i t hi n c r e a s i n ga g i n gt i m ef r o m16t o3 7h t h ep r e c i p i t a t i o n r e a c t i o nd u r i n ga g i n gt r e a t m e n th a sm o r es i g n i f i c a n th a r d e n i n gb e n e f i tt ot h ea l l o y sw i t h l o w e ra gc o n t e n t s t h em i c r o s t m c t u r eo f c u - 6 a gc o n t a i n ss i n g l ec u - r i e hm a t r i xa f t e rs o l i dt r e a t i n g a t7 3 09 cf o r8ha n dt h e n7 6 0 。cf o r4ha n d7 8 0 cf o r4h 1 1 1 em i e r o s t r u c t u r e c o n t a i n sc u r i c hm a t r i xa n da gp r e c i p i t a t e sa f t e ra g i n gt r e a t m e n t t h eh a r d n e s so f c u 一6 a ga l l o yi n c r e a s e si nt h ee a r l ya g i n gp e r i o da n dt h e nd e c r e a s e s t h et e m p e r a t u r e o fa g i n gt r e a t m e n ti n f l u e n c e st h ea n n e a l i n gt i m ew h e n p e a kh a r d n e s sv a l u ei so b t a i n e d d u r i n ga g i n gt r e a t m e n t ，t h ep r e c i p i t a t i o nr e a c t i o nh a sam o r es i g n i f i c a n th a r d e n i n g b e n e f i tt oc u 一6 a gc o m p a r e dw i t hs o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y o fc u - 6 a gi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fa g i n gt i m e t h es t a r t i n gt i m ea n d i n c r e a s i n gv e l o c i t yo ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya r ed e p e n d e n to nt h et e m p e r a t u r eo f a g i n gt r e a t m e n t 塑垩叁堂堡! ：堂些丝苎 壁型! 墨童垫丝些翌墅丝塑墨全塑堡! ! ：丝垒垒丝堡! 丝丝塑丝堕 f o rc u 6 a g ，a g i n gt r e a t m e n tc a ni m p r o v et h eu l t i m a t et e n s i l es 臼崩1 9 m l e v e l d u r i n gc o l dd r a w i n ga n dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys i m u l t a n e o u s l yb yi n c r e a s i n gt h e a g i n gt e m p e r a t u r eo rt i m e a f t e ra g i n ga t4 5 0 cf o r3 2l lt h ep r e f e r a b l ec o m b i n a t i o n p r o p e r t yi sa c q u i r e da l ，= 7 0 t h et e n s i l es t r e n g t ha c h i e v e s1 3 2 0m p aa n dt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi sr e t a i n e da t6 7 6 i a c s a f t e ra g i n ga t4 5 0 cf o r2h t h e t e n s i l es t r e n g t hr e a c h e s t o1 3 1 0 m p a a n d t h ee l e c t d c a lc o n d u c t w i t y i ss t i l l m a i n t a i n e d a t 6 8 3 i a c sa tt h e $ q n l ed e f o r m a t i o nl e v e l k e yw o r d s ：c u - a ga l l o y s ，s o l i ds o l u t i o n , a g i n gt r e a t m e n t ，m i c r o s t r u c t u x e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t y ，e l e c t r i c a lp r o p e r t y 浙江人学顾i ：学位论义林剑：预备热处理对纤维押复合强化c u - a g 合金组织与性能的影响 1 1 引言 第一章绪论 自二十世纪以来，科学技术不断地飞速发展。在强磁场磁铁线圈绕组、大规模 集成电路的引线框架及高速电气机车的架空导线等诸多领域中，对导电材料的强度 及导电能力提出了越来越高的要求，因此许多具有优良性能的导体合金不断被研究 与丌发，例如c u f e 、c u - c r 、c u - n b 、c u - z r 、c u - a g 等c u 基系列合金 i - 1 6 1 。目前 在国际上颇受注意的新型会属基原位复合c u a g 合金是较为典型的导体合金，同其 它导体合会相比，具有更为突出的强度和电导率综合性能，以及优良的变形加工性 能，并且易再生回收，具有良好的发展前景1 1 7 - 3 6 。 c u 合金可以采用添加合金元素即合金化法进行强化。合金元素可以在c u 基体 中形成均匀分布的过剩相，或者在c u 基体中形成固溶体或过饱和固溶体，使c u 基 体发生晶格畸变或时效析出强化相，从而提高合金的强度。然而，长期以来，在c u 合金导体材料的研究和制备中存在着强度和电导率之间的矛盾。合金化法虽然大大 提高了c u 合会的强度，但是也显著降低了电导率。为解决这一问题，需要选择合 理的强化手段，在尽可能较少地降低材料导电性能的同时尽可能提高材料的强度。 由于第二相对电导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 应用最广的获得高强度高电导率c u 合金的强化方法。根据第二相生成方式不同， 可分为析出强化，弥散强化，自生原位复合强化等。根据第二相的形状也可分为颗 粒增强和纤维增强等。另外，人为向c u 中加入第二相粒子、晶须、纤维对c u 基体 进行强化或依靠强化相本身的强度来提高材料强度的人工复合材料法也可以显著改 善材料强度，但这种方法容易在材料内部形成严重缺陷，使导电性能变差。相对而 言，原位复合纤维增强c u 基体方法由于可以使c u 合会获得高强度的同时保持良好 导电性能而成为研究领域的重点 3 7 4 1 1 。 浙江大学硕士学位论文 林剑：预备热处理对纤维相复合强化c u a g 合金组织与性能的影响 1 2 c a a g 合金的研究背景 1 2 1 纤维增强c u 基原位复合材料 纤维增强c u 基原位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 、o r ) 或者面心立方金属a g 等第二相构成。两相 均在合金凝固过程中原位生成并在后续变形加工过程中第二相演变为纤维相，直径 和间距达到微米甚至纳米数量级。当纤维间距小于微米级别。纤维相的强化作用使 合金力学性能大大提高，不再符合两相强度叠加原贝l j ( r u l eo f m i x t u r e s ) 2 8 , 西, 3 1 皿卅。 金属材料纤维增强是非常有效的强化方法，高强度的第二相纤维成为载荷的主 要承担者，基体金属纤维承担载荷的同时也起着连接纤维相、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。均匀、定向排列的第二相纤维可使第二相强化作用得到最大程 度的发挥，第二相在凝固中析出，两相界面结合强度高，有利于应力从基体向纤维 传递。由于两相在高温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，界面处于低能量状态， 因而具有良好的热稳定性【3 9 ，4 n 。另外，纤维相的分布与电流方向一致时，纤维相对 c u 基体的导电特性影响较小，从而有可能有效地解决提高强度则必须牺牲导电性能 的矛盾。 如果强化纤维相来自体心立方金属相，由于c u 基体为面心立方，则面心立方 体心立方体系塑性变形不协调，体心立方纤维在基体的横截面上可由于内应力作用 而形成卷曲带状形貌，造成的应变硬化效应较强。如果强化纤维相来自面心立方金 属相，则面心立方面心立方体系由于相近的变形能力而使纤维承受轴对称应力，在 变形过程中可以始终保持横截面形貌不变，应变硬化效应相对弱一些。因此以体心 立方溶质元素作为强化相的c u 合金往往比面心立方结构相强化的c u 合金具有更高 的强度。 包含体心立方强化相的c u 基合金如c u - f e 、c u - c r 、c u - n b 等己得到了广泛研 究【4 蚓。这些合金中，体心立方相首先作为初生技晶存在于c u 基体中，冷变形加 工后形成强烈的晶体学织构。与其他合金相比，由于c u o n b 合金可以在获得高强度 的同时保持较高的导电性能，因此作为强磁场导体材料得到了更为广泛的研究。 2 浙江大学硕士学位论文林剑：预备热处理对纤维相复合强化c u a g 合金组织与性能的影响 c u - n b 合金经过冷变形可形成直径为1 0 - - 1 0 0 0n l n 的n b 纤维相，合金抗拉强度随变 形的增加而迅速增大，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，w 九s p i t i z g 等人【4 7 ，5 1 认为这种 强化效应主要是由面心立方的c u 基体与体心立方的n b 纤维相界面作为障碍物阻止 塑性流变造成的，而p d f u n k e n b u s c h 等人1 5 5 j 6 1 则认为两相塑性变形能力的不协调 性所导致位错的增加才是产生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 - a g 合金的共晶温度( 7 7 9 c 1 ，a g 中可以溶解8 8 的c u ，c u 中可以溶解7 。9 的a g ，而室温下两者几乎互不相溶。因此，在c u 中添 加超过极限溶解度的a g 可以得到双相组织。若对合金进行冷拉拔，当交形量达到 一定程度后，组织中可以形成细密的a g 纤维结构，从而使合金成为纤维增强双相 复合材料。研究表明巧7 j 8 j ，含a g 量超过6 的c u - a g 合金组织中会出现一定比例的 富a g 强化相，经过冷变形后可以形成纤维状形态。在这种情况下，合金中除能够 产生加工硬化效应外，还叠加了纤维相强化效应，因此可导致强度大幅度上升或合 金强度随变形程度的增加而增大脚, s s - 6 0 l 。若在合金冷加工过程中结合一定的中间热 处理，可使合金在获得高强度的同时保持较高的电导率f 5 9 6 j 6 2 。 n b 在任何温度下都几乎不固溶于c u ，而c u 与a g 却在共晶温度下能部分固溶。 c u - a g 合金中两相具有相同的滑移系，能在应变和组织细化中始终保持同步，组织 横截面能够始终保持被圆截面富c u 相枝晶相或共晶体所包围的形态，从而具备了 得到强度和导电性更为优良配合的先决条件。事实表明瞄4 2 l ，虽然c u - n b 及c u - a g 两种合金的强度都随变形程度的增加而增大，但后者的强度增加更快，纤维直径随 变形程度的增加而更易变细，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 - n b 合金的二分之一。c u - a g 合金在冷加工断面收缩率略超过9 3 时就能够显示 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 加工，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大型锭坯，其熔点低以及化学稳 定性良好，具有优异的显微组织和物理性能均匀性，商用丝材和片材的性能再现性 也很好。冷轧的c u a g 合金板材几乎不显示与轧制方向有关的各向异性，同样具有 塑垩奎兰堡圭兰竺丝苎! 型：垄墨垫竺堡翌竺丝塑墨盒堡些堡缝量全里堡量垒堕塑丝! 优异的导电性能口1 照删。c u - a g 合金属于面心立方面心立方结构，两相具有相似的 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。因此c u - a g 合金代替c u - n b 合金逐渐成为近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发展前景。 1 2 2 c u - a g 合金在强磁场中的应用 c u - a g 原位复合材料已经应用于强磁场磁体系统实验装置中，并在集成电路的 引线框架、大型电气机车的架空导线、各种电极、触头材料等要求导体材料具有高 强度和高电导率的领域具有广泛的应用前景。 随着科学技术的进步，强磁场技术近年来取得了飞速的发展和应用。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 互作用研究等等嘟】。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步发展和完善。另外，强磁场还有着广泛的应用前景， 如固体物理学、生物分子学、材料科学、超导电性、金属超晶格、聚合物科学、磁 共振及磁共振成像、磁性材料、晶体生长、磁分离、磁储能、聚变磁体和磁悬浮等 4 9 6 5 - 6 7 1 。 强磁场的产生和获得是开展强磁场下科学研究的先决条件，而且随着磁场的提 高将有可能产生新的科学机遇和开拓新的前沿领域。但是强磁场技术的发展受到磁 体系统中线圈绕组导体材料性能的限制。随着c u - n b 和c u a g 等高强高导合金的研 制成功，以及磁体设计水平和水冷技术的提高，使得建立超过4 0t 的更高场强的混 合磁体成为可能【醴】。同时，脉冲强磁场技术逐渐受到重视。通常，场强低于1 0 0t 的磁场采用可重复放电使用的非破坏性脉冲磁体，1 0 0t 以上磁场则只能采用一次 性放电的破坏性磁体1 6 s - ? o i 。目前，美国、日本和欧洲大型脉冲强磁场实验室拥有5 0 t 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 0t 的长脉冲强磁场 和1 0 0t 以上的非破坏性脉冲磁场1 6 9 】。为了产生强磁场，磁体绕组上需加载数百千 4 浙江人学烦i 学位论文 林剑；顾蔷热处理对纤维拥复合强化c u - a g 台金组织与性能的影响 安甚至数千千安的电流，产生的焦耳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问题是励磁过程中产生的巨大磁 应力，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 抗拉强度以抵抗洛仑兹力，后者需要材料同时具有高导电性以减少焦耳热。一般在 强磁场中工作的导线必须具有至少lg p a 以上的抗拉强度以承受强磁产生的洛仑兹 力，同时必须具有6 0 i a c s 以上的电导率以减少大电流产生的焦耳热i 3 2 】。但是， 通常高强度材料的电阻率也高，因此，研制和开发高强高导材料是发展强磁场技术 的关键之一。 对于5 0t 及以下的磁场，冷拉硬纯c u 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 8v 0 1 n b 合金，近年来，纤维 增强c u - a g 复合材料由于具有比c u - n b 合金更加优越的性能而受到重视。 1 2 3 c u a g 合金在其他领域的应用前景 集成电路( i c ) 由芯片、引线框架和塑封三部分组成。其中，引线框架的主要功 能是为芯片提供机械支撑载体，并作为导电介质连接l c 外部电路、传送电信号以及 与塑封材料一起向外散发芯片工作时产生的热量，成为i c 中极为关键的零部件。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、多功能、小型化、低成本方向发展，集成电路 i 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。自2 0 世纪6 0 年代世界上的一块集成电路问世以来，半导体集成电 路封装材料就得到了很大发展，新材料不断被开发。从f e n i c o ( k o v a r 合金) 到f c n i 4 2 合会等铁系列材料都曾长期占掘引线框架材料市场。8 0 年代以来，c u 合金因其具 有高导电、高导热及价格低等特点，逐渐替代k o v a r 合金与f e n i 4 2 合金，成为制造 引线框架的主要材料 7 1 - 7 3 l 。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命以满足对 材料强度、导电性能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 浙江大学硕士学位论文林剑：预备热处理对纤维相复合强化c u a g 合金组织与性能的曩塑 和电导率匹配关系最佳的合金之一，同时具有良好的形变加工能力，如果能够进一 步降低成本，则可在大范围应用在引线框架材料中。 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 0 4 i a c s 以上。c u 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c u 导体材料的力学性能，一般 可以采用合金化法，但利用合金化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【7 4 1 。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在此 领域中颇具发展前景。 1 3 c u - a g 合金的研究现状 在c u - a g 共晶温度( 7 7 9 c ) 下，a g 相中可以固溶8 8 左右的c u ，c u 相中可以 固溶7 9 0 , 6 左右的a g ，而在室温下两者几乎都不相互固溶。因此，在c u 中加入超过 极限溶解度的a g 而制得的双相复合体中，a g 以初生等轴晶粒或共晶组织存在于以 c u 技晶为基体的组织中。如果对合金进行冷拉伸加工，在达到一定的变形度以后， 组织中可形成细密的a g 纤维结构而使合金成为纤维增强复合材料。若再结合一定 的热处理，可使合金在获得高强度的同时保持相对高的电导率 3 0 w , 6 1 , 7 5 1 。 6 浙江人学坝l ：学位论文林剑：顶蔷热处理对纤维相复合强化c u a g 合金组织与性能的影响 1 3 1 c u a g 合金的组织结构 1 3 1 1 铸态组织 a b e n g h a l e m 等p 8 ”通过对c u - ( 3 7 2 ) a g 系列合金的研究发现，含a g 量低于 6 的合金由单一的富c u 固溶体 相) 构成，几乎没有第二相。含a g 量高于6 的 合金，铸态组织由初生富c u 固溶体( 口相) 和富a g 的固溶体( 卢相) 构成，含a g 量为 ( 6 - - 1 5 ) 的合金中卢相数量较少，一般作为离异共晶组织形态存在于口枝晶间。再随 着a g 含量的增加，处于其枝晶白j 隙的第二相逐渐发展成为连续的层状体或共晶片 层，而初生口相则逐渐减少。c u 一( 6 - - 3 0 ) a g 合会铸态组织口枝晶尺寸主要取决于合 会凝固条件而不随成分变化，冷却速度越快则枝晶尺寸越小。层片状口、口两相组成 的共晶组织的片层间距比一次枝晶问距小得多。当a g 含量达到合金共晶成分( 7 1 9 ) 时，铸态组织则全部演变为由瓠口两相层叠构成的共晶体。 1 3 1 2 变形组织 铸态组织在随后的冷加工过程中，各相均被拉长变形，厚度及间距也不断减少， 其中共晶组织的两相逐渐发展成为细密的c u - a g 纤维状结构。由于c u - a g 合金系统 属于面心立方面心立方晶体点阵匹配，合会中两组成相具有相同的滑移系，能在组 织细化过程中始终保持两相的应变过程基本同步或协调进行，因而在两相的原位变 形过程中，材料横截面组织能够近似地保持圆形a 相基体晶粒被口相或共晶体所包 围的形态。 加工到截面收缩率为9 8 5 的c u - 2 4 a g 合金导线，在更高分辨率的透射电镜 ( t e m ) 的观察下发现，其组织由基体口相、a g 纤维和层状相构成，拉长后的口相 尺寸约为o 1 0 2l a i n ，层状相厚度在2 0 - - 8 0n l n 之间，a g 纤维最大间距为1 5n l n ， 直径一般为l 2n n l ，纤维之自j 含有与之垂直的位错且位错密度随纤维间距减小而减 小1 7 6 - 7 扪。g f r o m m e y e r 等1 例在对拉伸后c u 7 2 a g 合会的观察中也看到了类似现象。 对c u 2 4 a g l 5 7 7 6 7 7 l 合会进行大变形量拉伸后组织的共晶体观察发现，具有强烈织 构的口相和相取向关系为( 1 0 0 ) c ( 1 0 0 ) a g 、【o l l 】c 【0 l i a g 。另外，在舐两相中 均可观察到由变形引起的孪晶组织，c u a g 界面上存在大量的晶体缺陷。 浙江大学硕士学位论文 林剑：预备热处理对纤维相复合强化c u - a g 台金组织与性能的影响 热处理也会带来合金组织的改变。经过冷加工的合金在中间热处理后的组织会 变得更加细密，口枝晶的尺寸更细小伫1 j 3 j 7 捌。s i h o n g 等口3 j 7 t 舳l 等对冷加工后导线 的退火工艺和性能进行了研究，发现2 0 0 c 以下的退火会导致一些溶解的溶质原子 发生析出。3 0 0 c 时c u 基体开始再结晶，一些a g 纤维发生了球化，纤维间距变宽，。 在较大的纤维间距内还可观察到一些沉淀物。4 0 0 。c 时c u 基体发生再结晶，大多 数区域包含的a g 纤维被新的再结晶晶粒所重置，但仍有些区域没有发生再结晶。 1 3 1 3 位错结构 在冷加工过程中，显微结构有明显变化，微米级层间距的层片状铸态结构演变 成一种在c u 基体上分布许多拉长的纳米级a g 纤维结构。低a g 成分的合金铸态结 构中典型地具有几微米宽度的c u 枝晶，枝晶间距充满了具有细密层状结构的c u - a g 共晶【n 引l 。冷加工过程中，c u 、a g 层片区域形成越来越多的孪晶，这种内部组织 的变化与力学性能的变化紧密相关【7 8 8 2 】。 研究表明【3 3 ，7 7 ，伽，c u - a g 合金随着变形量的不断增大，纤维内的位错密度首先 急剧上升，当纤维直径达到1 0 - 5 0n n l 时，内部几乎没有位错，而晶界上形成高密 度位错区。纤维之间含有与之垂直的位错，位错密度随着纤维间距减小而减小 ，嘲 许多学者认为【3 3 _ ”，纤维间距减小可导致位错密度下降，其主要原因可归结为纤维 组织太细密而无法包含稳定的位错网络。另外由于合金中a g 纤维尺寸可处于纳米 级别，c u a g 界面必然存在还有待进一步观察和研究的特殊物理学及晶体学现象 【3 3 ，5 5 6 1 ，7 6 1 。 1 3 2 c u - a g 合金的力学性能 经过一定变形后的c u - a g 合金，随a g 含量的增加，抗拉强度增大。在a g 含 量较低时，随a g 含量的增加抗拉强度增加很快，但当a g 含量在1 6 0 o - 3 0 范围内 变化时，强度的增加趋于平缓【期。 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。合金变形程度一般用裱示；，7 = l n ( 4 0 组) ，其中 4 0 和4 分别表示变形前后合金的横截面积p l 】。一般随着r 的增大，合金强度也增加， 8 浙江人学颅i ：学位论史 林剑：颅备热处理对纤维相复合强化c u - a g 合金组织与性能的影响 与纯c u 相比，c u - a g 合会具有更显著的加工硬化效应。在冷加工初期，合金强度 增加趋势平缓，随着r 的增大，合会强度增加趋势变快。例如。对于c u - 2 4 a g 合 金，玎= 4 0 左右时合会抗拉强度可以达到7 0 0 - , - 9 0 0m p a ，r = 5 0 时可达到9 0 0 - , 1 1 0 0 m p a ，当玎达到6 0 - - 8 0 以后，强度增加更明显，可达到1 5 0 0 m p a 以上【7 6 l 。但随着 ，7 的增大，合会的电导率会明显下降。 y s a k a i 等人m 5 9 】研究发现，选择合适的中间热处理可以使导线的抗拉强度和 电导率都有所增加。s i h o n g 和m a h i l l 等人f 7 6 1 也认为中间热处理后合金在继续 冷加工的过程中可以由更细密的组织开始变形，从而对纤维组织的重新定向排列和 口、两相协调变形均有利，使得加工硬化能力得到进一步提高。 1 3 3 c u a g 合金强化机理与模型 研究合会强化时首先要考虑的是c u 基体的强化效应 3 1 , 5 9 , 6 2 。一方面，c u 基体 中的a g 原子产生固溶强化，而a g 原予析出生成的第二相粒子对强度的贡献则相对 较小。另一方面，c u 基体枝晶中存在位错结构，使得合金在拉伸时可产生明显的加 工硬化效果。更重要的是，在冷变形过程中，a g 相逐渐变为纤维状组织，可以显著 提高合会强度水平。由于高强度c u a g 与c u - n b 合金导体材料都属于利用纤维强化 的显微复合材料，所以在c u a g 合会强化机理的研究中，许多模型都利用了对c u - n b 合盒的研究结果。a b e n g h a l e m 等强1 将估算c u - l x v o 合会强度模型改良后用于c u - a g 合会提出下列公式： o c o m p2 无u ( o w h c u + t t c u g r a i n ) + k ( g + t t g g 触)( 1 - 1 ) 其中，o c o m p 表示c u a g 合金的强度，允。和几分别代表c u 相和a g 相的体积 分数，o w h c 。、c r c 。g r a i n o w h a g 和d 面晰分别代表c u 相基体加工硬化效应、c u 相晶粒 细化阻碍位错成核增殖产生的强化效应、a g 相的加工硬化效应以及a g 纤维的强化 效果。o w h c 。可近似利用c u - 6 a g 合会强度值代替，o w h a g 在a g 相变得细密到无法 包含稳定位错结构时则可忽略不计。与组织尺寸相关的另外两项可利用c u - n b 合金 导线的纤维组织强度尺寸的关系近似求得，即： 9 浙江大学硕士学位论文林剑；预备热处理对纤维相复合强化c u - a g 合金组织壁能盟响 a u 砷= 掣t n ( 。t t 4 2 0 )a u 砷2 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 其中，a 为晶粒横向直径，口为数量因子， n 为t a y l o r 因子，a 、b 分别为剪切 模量和柏氏矢量，为晶界上a g 纤维的厚度。 从式( 1 1 ) 可知，当a g 纤维足够细时，有可能获得很好的强化效果。合金的强 度将由应变程度或a g 纤维的尺寸决定。然而，由此计算的附加强度值比实际得到 的数值要小很多，比如，在玎= 9 0 左右时估算的附加强度值约为1 0 0 m p a ，但是实 际增加的强度值为4 0 0 - 5 0 0m p a 。b e n g h a l e m 等人认为出现这现象的原因是：( 1 ) 受扫描电子显微镜( s e m ) 分辨率的限制，致使观察测定的a g 纤维尺寸比实际尺寸更 大；( 2 ) p - j 能还存在其它未能在式( 1 1 ) 中反映出的a g 纤维强化因素，a g 纤维中可能 包含的层错或孪晶缺陷能够将a g 纤维分离得更为细小，从而引起更大的附加强化 效应。 s i h o n g 等【7 6 1 通过使用较高分辨率的t e m 观察测定组织尺寸后，改进了 b e n g h a l e m 等提出的合金强化模型并提出如下关系式： 呒u 啦= 五+ 石l a 伍k + 血o ；s f ( 1 _ 4 ) 其中，。 g 表示c u - a g 合金线材的强度，五、厶、向、e r a 、吼、f 分别代表 基体富c u 相( 口相) 、较厚的层片状富a g 相够相) 及a g 纤维束的体积分数和强度分 量。模型中的基体q 相强度由溶质原子引起的固溶或析出强化分量o a l i 、位错增殖的 加工硬化分量以及晶粒细化引起的强化分量d 如构成，即： 2 础4 - a 矿嘞 ( 1 - 5 ) 由于初始基体口相可固溶8 a g ，因此内l 可以用c u - 8 a g 合金的强度代替， 在强烈冷拉拔过程中昂+ d 如强化效果与强烈冷拉拔纯c u 的加工硬化效应类似，约 为4 5 0 - 5 0 0m p a 。 根据a b e n g h a l e m 和d g m o m s 等5 s 1 提出的计算层片状相强度的方法， i o 浙江人学确i j 学位论义 林剑：顾斋热处理对纤维相复台强化c u a g 合金组织与性能的影响 翻可以用下列式子表示： 研c = 翻w 6 ，i k ( 1 石) 其中口为数量因子，t r 为t a y l o r 因子，肌b 分别表示a g 的剪切模量和柏氏矢 量，t l m m l l 。表示层片状口相的平均厚度。 考虑到层片状相中溶质c u 原子固溶或析出引起的强化效应围l ，相的强度 可以更加精确地表示为： o 豇；o m l l + a l a m c i l 。= a a l l + 蜊，西，i a m b a ( 1 - 7 ) 而a g 纤维的强度可以利用拉伸共晶组织强度的h a l l p e t c h 关系求得 o r s f + 册忱 因此，综合所有因素，c u - a g 合金线材的强度可表示为： ( 1 - s ) c r c 。啦= 五( 国l + 毋+ o 曲+ 石i a ( 国i + 鲫础f l 锄一l a ) + 血- ( 昂+ 忌勺 ( 1 9 ) 利用这种模型在r = 4 2 时估算的合会强度与实际测量结果相近，但更高变形水 平时并没有研究。随着变形程度