（材料加工工程专业论文）弥散强化铜冷加工、退火行为研究及点焊电极镦挤成形数值模拟.pdf

中南大学硕 学位论文摘要 摘要 弥散强化铜具有强度高、导电性好和软化温度高等特点，广泛应 用于汽车、电子、航空航天等行业。 本文采用机械合金化方法制备了c u 4 v 0 1 w c 材料，研究了不 同冷轧变形量及退火工艺对材料致密度、力学性能、导电性和显微组 织的影响。结果表明，冷轧变形可提高材料的致密度、强度和电导率； 冷变形会降低w c 弥散铜材料的软化温度；材料的退火行为在5 0 0 下以再结晶晶粒长大为主，在6 0 0 及其以上温度以再结晶晶粒形核 为主。 此外，本文利用t e m 观测了内氧化方法制备的c u 0 1 5 v 0 1 a 1 ，o ，材料经不同退火工艺处理后的显微组织变化情况，分析了 弥散相粒子对材料退火过程中组织变化的影响，探讨了该材料再结晶 形核长大的主要机制。观察发现，a 1 2 0 3 弥散强化铜合金在退火过程 中亚晶形成、长大缓慢；再结晶过程中存在着亚晶合并、亚晶长大和 晶界弓出长大三种再结晶形核机制，以前两者为主；晶内细小的a 1 2 0 3 弥散相粒子可以有效阻碍小角度亚晶界的迁移，抑制了合金的回复和 再结晶形核过程；晶界处偏聚的a 1 2 0 3 粒子则同样钉扎了晶界的迁移， 抑制了再结晶晶粒的长大。 依据热模拟实验获得的不同工艺制备的c u 4 v 0 1 w c 材料的真 应力应变曲线，利用d e f o r m 2 d 有限元软件模拟了不同温度及摩擦 条件下的弥散强化铜点焊电极一次镦挤成形，研究其镦挤过程中的金 属流动和应力、应变分布变化规律，分析了其影响因素的具体作用， 进而提出了制定合理镦挤工艺的一些必要条件，认为镦挤的最佳的温 度和速度是要能够保证材料在加工变形过程中处于或接近动态回复 状态；上、下模( 尤其是上模) 与工件之间应保持良好的润滑。 关键词：弥散强化铜，冷变形，退火，镦挤，有限元模拟 中南大学硕 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 r ( d s c ) i sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l e ， e l e c t r o n i ca n da e r o s p a c ei n d u s t r yb e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n g t h ，h i g h e l e c t r i cc o n d u c t i v i t ya n dh i g hs o f t e n i n gt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , c u 一4 v 0 1 w cc o m p o s i t ew a sp r e p a r e du s i n gam e t h o d o fm e c h a n i c a la l l o y i n g ，a n dt h e nw a sc o l d - r o l l e da td i f f e r e n td e f o r m a t i o n a n da n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s e p a r a t e l y , t h e i re f f e c t s t ot h e d e n s i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y a n d m i c r o s c o p i c s t r u c t u r ew e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，c o l dr o l l i n gc a ne n h a n c et h e d e n s i t yo ft h ei n i t i a l s i n t e r e dm a t e r i a l ，a n di t s s t r e n g t ha n de l e c t r i c c o n d u c t i v i t yi n c r e a s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fr o l l i n gd e f o r m a t i o n ；c o l d d e f o r m a t i o nw i l ll o w e rt h es o f t e n i n gt e m p e r a t u r eo ft h em a t e r i a l ；t h e p r i m a r ya n n e a l i n gp r o c e s s o ft h e c o m p o s i t e i st h e g r o w t h o f r e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n sa t5 0 0 cw h i l et h en u c l e a t i o no fr e c r y s t a l l i z a t i o n a t6 0 0 o ra b o v e b e s i d e s ，t h ec h a n g eo fm i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fc u - 0 15 v 0 1 a 1 2 0 3 c o m p o s i t e ( p r e p a r e du s i n gam e t h o do f i n t e r n a lo x i d a t i o n ) a f t e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n n e a l i n gw a so b s e r v e du n d e rt e m ，a n dt h e e f f e c t so f d i s p e r s e dp a r t i c l e s t oi tw a sa l s o a n a l y z e d a sw e l la st h em a i n m e c h a n i s m so fr e c r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t ho ft h em a t e r i a l t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep r o c e s so ff o r m i n ga n dg r o w i n go fs u b g r a i ni s c a r r i e do ns l o w l y ；s u b g r a i nm e r g e n c ea n ds u b g r a i ng r o w t ha r et h et w o m a i nm e c h a n i s m so fr e c r y s t a ln u c l e a t i o n ，a n dt h em e c h a n i s mo f g r a i n b o u n d a r y p r o t r u s i o n a l s o e x i s t ；t h es m a l la 1 2 0 3p a r t i c l e s c a n e f f e c t i v e l yb l o c kt h em i g r a t i o no fs m a l l a n g l es u b g r a i nb o u n d a r i e sa n d i n h i b i tt h ep r o c e s so f r e c o v e r ya n dr e c r y s t a ln u c l e a t i o n ；t h es e g r e g a t i o no f a 1 2 0 3p a r t i c l e si ng r a i nb o u n d a r i e sw e r ep i n n i n gt h eg r a i n - b o u n d a r y m i g r a t i o n ，i n h i b i t e dt h eg r o w t ho fr e c r y s m lg r a i n b a s e do nt h es t r e s s s t r a i nc u r v eo fd i f f e r e n tc r a f tp r e p a r e d c u - 4 v 0 1 w cc o m p o s i t ew h i c hb eg o t t e nf r o mh o ts i m u l a t i o n s ，t h e u p s e t t i n g e x t r u d i n gp r o c e s 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 rw e l d i n g e l e c t r o d eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n df r i c t i o nf a c t o rw e r es i m u l a t e d u s i n g d e f o n n 2 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 。a n dt h e n t h e i l ! 塑叁兰堡! ：兰垡堡苎垒! ! ! ：坠! ! c h a r a c t e r i s t i c so fm e t a lf l o wa n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i na n ds t r e s sw e r e a n a l y z e d a sw e l la st h o s e i n f l u e n c i n gf a c t o r , t h u sp r e s e n t e d s o m e n e c e s s a r yc o n d i t i o n s o fe s t a b l i s h i n gar e a s o n a b l eu p s e t t i n gc r a f t i t s u g g e s t st h a tt h eb e s tt e m p e r a t u r ea n du p s e t t i n g - e x t r u d i n gs p e e ds h o u l d k e e pt h e m a t e d a lr e a c ho rn e a t t h ed y n a m i cr e c o v e r ys t a t e ；t h e l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n sb e t w e e nw o r k p i e c ea n dm a l ed i eo rf e m a l ed i e s h o u l db ee x c e l l e n t k e yw o r d s ：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 r ；c o l dd e f o r m a t i o n ； a n n e a l i n g ；u p s e t t i n g - e x t r u d i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 原创性声明 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 研究成果。尽我所知，除了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 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名：丛醯日期：j 竺盈年上月笪日 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和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；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： ；丝鲣导师签名：丕硌期：兰丑年上月 中南人学硕 + 学位论文 第一章文献综述 1 1引言 第一章文献综述 铜具有优良的导电性、导热性和耐蚀性，广泛地应用在几乎所有的工业部门。 铜的晶体结构为面心立方( f c c ) ，其塑性非常好，轧制变形程度可达9 5 以上。 但铜的强度和耐热性不足，不能满足航天、航空、电子工业等高新技术迅速发展 对其综合性能的要求。通过添加适当的合金元素，可以改善铜合金的性能，满足 一些要求不高的需求。但是实际应用中很多场合要求材料能够经受高温作用，故 提高铜合金的高温性能实属必要。这些场合包括： 点焊电极p ”。在汽车和仪表仪器工业中，点焊以其美观的外表和较高的工 作效率越来越受到欢迎。传统的点焊电极材料多是c u - c r 合金，在较低的工作温 度下它是一个比较合适的选择。但是当温度超过5 0 0 - - 6 0 0 以上时，电极就会因 为沉淀重溶而软化，以致变形失效。 电子工业。随着电子工业的飞速发展，大规模集成电路等电子元器件的引线 材料要求越来越高，过去占统治地位的铁镍合会逐渐部分地被铜合会取代，且铜 合会有成为主流的趋势。按照电子技术发展的指标，大规模集成电路引线框架的 抗拉强度应大于6 0 0 m p a ，电导率大于8 0 i a c s ，软化温度达8 0 0 k 以上【s 】。 列车滑接线。电力机车的高架导线及其接触环都必须有非常好的导电性能， 同时能够承受较大的力的作用【9 j 。另外，弥散强化铜在高温条件下仍能保持良好 的导热性和导电性，以及非常优越的抗中子辐射的特性，常用作热核反应堆的内 壁【1 0 1 。 传统的铜合金因高温强度不足已不能满足这些场合的要求，于是兼有高强度 和高导电性的弥散强化铜材料应运而生。弥散强化铜是通过添加一些稳定的硬质 第二相，提高合金强度的同时保持铜基体良好的导电性，并且材料中的第二相能 够阻碍回复和再结晶，使材料有非常优越的高温性能，如表1 1 所示。正是这些 无可比拟的优点，让弥散强化铜备受青睐。 表卜1 弥散强化铜与无氧铜的性能【 中南人学倾i 擘位论叟=第一章文献综述 1 2 弥散强化铜的研究概况 1 2 1 金属强化方式 完全没有晶格缺陷的理想晶体的强度，就是理论强度。而在实际应用中，会 属总是存在着晶格缺陷，实际强度不到理论强度的百分之一。因此，要对材料进 行强化处理。 ( 1 ) 形变强化 冷变形强化机理是由于变形过程中不断产生位错，位错密度增加，位错之间 互相缠结难以移动，使得变形阻力增加，强度提高。同时，变形引起的导电率下 降却不会很大。这种强化手段常用于塑性较好的合会。 加工硬化是在低于金属再结晶的温度下，将会属进行冷加工或塑性变形，使 强度、硬度提高。而大部分纯金属的再结晶温度皆位于其绝对温标熔点的 1 3 。1 2 1 1 2 】之问。将冷加工后的金属加热到再结晶温度时，变形产生的位错将大 大减少，因而实际上，先前的大部分强化将会消失。 ( 2 ) 固溶强化 通过溶入溶质元素，形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象叫固溶强 化。固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格畸变，并形成 气团，气团对位错具有“钉扎”作用而阻碍其运动。一般地按溶质原子在基体中 的分布状况，固溶强化可分为非均匀强化和均匀强化。非均匀强化又分为源强化、 有序强化、浓度梯度强化等。 均匀强化是指固溶体中溶质原子统计地散布在基体中，溶质原子与基体原子 的半径不同，使基体点阵发生一定程度的畸变，因此溶质原子与位错的应力场有 弹性交互作用，构成位错滑移的障碍，从而引起强化作用。 但是，固溶合会在绝对温标固相线温度的1 2 左右，就将丧失它们的大部分 强度。并且，固溶强化引起的点阵结构畸变对电子运动有强烈的散射作用， 从而使导电率大大下降，固溶强化的这些缺点，使其不能成为制备高强度高导电 性材料的主要手段。往铜中添加多种元素都可以使得合会强化，如z n 、a 1 、f e 、 n i 和a g i 5 ，1 3 0 5 】等元素都是经常采用的合金元素。这种合金在一些工作温度不高 的环境下仍可以满足使用要求，如较为常见的引线框架材料就是c u f e - p 合余， 但是其导电性大为降低，仅有4 5 6 0 i a c s l l6 j ( i n t e r n a t i o n a la n n e a l e dc o p p e r 中南大学硕j ：学位论文第一章文献综述 s t a n d a r d ) 。 ( 3 ) 晶界强化 晶界强化是晶界阻碍位错运动而形成的强化作用。在其他条件相同时，金属 材料的晶粒越细，晶界越多，其室温强度就越大，在一定范围内，材料的屈服强 度盯。与晶粒直径d 的关系可用h a l l - p e t c h 经验公式表示【1 7 】： 盯，= c r o + 足。d 2 ( 1 - 1 ) 式中和盯，均为常数，c r 0 表示晶内对变形的阻力，大约相当于单晶的屈服强度， 它和成分、温度有关；k y 表征晶界对变形的影响，它依晶界的结构而定，与温 度关系不大。显然，对某一给定的会属材料来说，盯。与晶粒直径的乎方根成反 比，这一关系在很多金属材料中都得到证实。由此可见，细晶强化在于随晶粒直 径减少，晶界增多，阻碍位错移动能力提高，因而强化金属。 根据这一原理，尽可能减小晶粒尺寸可以获得高强度的合金。这可以通过熔 炼时加入变质剂来实现，若是烧结材料则采用一些先进的技术制备超细甚至纳米 粉末，关于这方面的研究近年来多有报道1 1 4 ，1 8 9 1 。此外，材料经过大变形后的亚 结构也可以看成是这种强化方式的特例。但是细晶强化的合会在超过其再结晶温 度的条件下，起强化作用的晶界将变得不再稳定，发生再结晶甚至长大，从而出 现强度的大幅降低。所以，细晶强化是中温和低温条件下的有效强化方法。 ( 4 ) 沉淀强化 沉淀强化是将溶质元素溶入到基体金属中，然后快速冷却以形成亚稳态的饱 和固溶体；随后进行沉淀热处理时，在基体中形成会属问化合物的原子偏聚团或 颗粒。这些颗粒与位错应力场存在弹性交互作用，将阻止位错运动和晶界滑移， 这是其主要强化机制。这种合金包括典型的c u - z r 、c u c r 和c u - t i l 2 3 j 等，它们 都有这样一个特点，即高温饱和固溶度与室温溶解度差别很大，只有如此才可通 过固溶时效的热处理生成许多弥散而分布均匀的第二相粒子。但当把材料加热到 沉淀处理以上的温度时，沉淀相重新溶入基体晶格，形成固溶体。这就导致沉淀 处理获得的强度完全丧失。 表1 2 不同强化方式的合金性能比较1 7 1 3 ，2 4 。5 】 中南人学碗i 。学位论交第一审文献综述 以上几种强化方式中，在较高温度下材料或者发生再结晶，或者沉淀重溶， 强化机制赖以生存的微观结构变得不稳定而开始失去强化作用。因此，合金的高 温热稳定性能仍然不能完全满足工业生产的需求。表1 2 是几种不同强化合金的 性能比较，从表中可明显看出各种强化方式的优劣。 1 2 2 弥散强化机理 弥散强化是i r m a n n 于1 9 4 9 年最先在烧结铝制品中发现的【2 1 。其强化机理是， 在弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克 服障碍向前移动，所以材料强度提高。 弥散强化是制备高强高导电性材料最理想的方法。实际使用的高强度合会大 多含有高度弥散分布的细小的第二相质点，这些第二相往往是会属间化合物或氧 化物、碳化物等，其比基体硬得多。向基体中添加这类不溶的第二相粒子，普遍 的做法是采用粉末冶金技术，使基体中形成弥散分布的增强相颗粒，达到提高强 度之目的。本文讨论的主要是这种强化方式。 弥散强化机构的代表理论是位错理论。下面是几种主要的位错理论模型用以 讨论屈服强度及硬化。 ( 1 ) 位错绕过机制( o r o w a n 机制) o r o w a n 机制的示意图如图1 1 。按照这个机构，位错线不能直接越过第二相 粒子，但在外力下，位错线可以环绕第二相粒子弯曲然后闭合，闭合后原位错分 成一个位错环和一条新位错线，位错环围绕在第二相粒子并受到粒子的约束而不 可动，新的位错线则继续向| ；i 运动。位错线的弯曲将会增加位错线的能量，这就 增加了位错线运动的阻力。屈服应力f ，与粒子的f 日j 距 及切变模量g 和柏氏矢 量b 的位错的作用之问的关系如下l j ”： f 一：鱼( 1 - 2 ) f f2 显然屈服应力与粒子间距成反比。 中南人学硕 ：学位论文第一章文献综述 ( d ) ( 2 ) 位错切割机制 这一机制把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据，即当 粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合会便屈服【划，即： ( 1 3 ) 式中g 为第二相粒子的切变模量，c 为比例常数。 由上式可以得出：屈服应力与基体和弥散相的切变模量的平方根的积成正 比，与粒子间距的平方根成反比。 ， 弥散强化材料的强度不但与基体和弥散相的本性有关，而且决定于弥散相的 含量、大小和分布、形态以及弥散相与基体的结合情况，也与成形工艺有关。一 般地，弥散相的含量越高，尺寸越小，分布越弥散，颗粒间距越小，则材料的强 度越高；变形程度越大，材料强度也越高。 1 2 3 弥散强化铜的制备 ( 1 ) 真空混合铸造法 混合铸造法，即传统的搅拌法，是由美国的m e h r a b i a nr 和f l e m i n g sm c 开发出的一种制造会属基复合材料的工艺【2 7 1 。尽管这种方法在空气和低压环境 下已经得到了商业应用，但是此法易卷入部分气体，因而材料性能偏低。同本的 c h i k a w a k 和a c h i k i t a m 进一步将这种方法发展成了真空混合铸造法，并着重研 究往铜中加入碳化物颗粒以取代电阻率较高的氧化物颗粒1 2 8 1 。采用高导电的碳 化物颗粒，可以将颗粒的体积百分数提高到3 3 ，有望获得高强度、高导电率的 - ， i-r1一h 愿 l l 0 中南大学硕i ：学位论立第一章文献综述 复合材料。 真空混合铸造法是将尺寸为0 6 8 2 a n 的w c ，t a c ，t i c ，v c ，n b c 等颗 粒用机械搅拌的方法，在真空下与9 9 9 9 的纯铜液混合，以使碳化物颗粒分散 均匀并打碎铜凝固时出现的树枝状晶粒。用这种方法制备的复合材料，其碳化物 颗粒在整个复合材料铸锭中从上之下分散均匀，体积百分数可达到4 6 ，但有局 部偏聚成团现象。试验证明，可向该复合材料中加入约3 0 v 0 1 的碳化物颗粒， 其电导率比a 1 2 0 3 弥散强化铜略高。这种复合材料的硬度比商业a 1 2 0 3 c u 要低 得多，后者在含a 1 2 0 3 为3 时，般h v 值约1 5 0 ，而前者碳化物含量到3 0 时也只在h v l 2 0 15 0 之间。这种复合材料铸态抗拉强度最高能达到4 0 2 m p a ， 比a 1 2 0 3 c u 的5 0 0m p a 要低一些，但远高于纯铜的抗拉强度( 1 4 0m p a ) ，然而 该复合材料的塑性较高，当增强颗粒含量为3 以上时，延伸率一般在3 0 以上。 碳化物颗粒增强的弥散强化铜比氧化物弥散强化铜具有较高的电导率和延 伸率，但是硬度、抗拉强度相对较低，这可能是两类复合材料的状态不同有关。 ( 2 ) 反应喷射成形法 反应喷射成形法是一种最近才发展起来的新型制造技术 2 9 】，它是利用压缩 含氧氮气氧化c u - a i 合金雾滴中的a l ，生成细小的a 1 2 0 3 颗粒，从而制备出 a 1 2 0 3 c u 复合材料。由于金属液被气体分散成许多细小的液滴，因此反应迅速。 生成产物中大多数是a 1 2 0 3 ，另一些是c u o 或c u 0 2 ，尺寸在1 0 0 - - - 3 0 0 n m 。研究 反应喷射成形工艺发现，通过控制混合气体中的氧分压可控制氧化物颗粒的含量 及其尺寸范围。这一材料经过8 0 0 ( 3 下热挤压后，其抗拉强度约为3 3 0 m p a ，高 温软化温度最高约为5 0 0 ，电导率可达9 2 i a c s 。但这项技术的问题在于： 所制备的复合材料致密度较低、实际利用率太低、工序复杂、控制难度大、设备 昂贵、成本太高。因此还需对上述问题进一步研究。 ( 3 ) 机械混合法 机械混合法【3 0 】是将两种或以上的粉末混合在一起，用机械搅拌方式使得粉 末均匀分布，通常在搅拌机上进行。这种方法要求首先制得亚微米级的氧化物增 强相粒子和铜粉，进行混合并达到十分均匀的分布。 这种方法制备的材料性能基本上决定于粉末的初始状态和搅拌的均匀程度。 同时，它在工业上的实现是很困难的，效率低下，几乎无人采用。 ( 4 ) 溶胶一凝胶法 溶胶凝胶法技术作为一种材料制备的新工艺，可以制备陶瓷、玻璃等材料， 尤其可以制备高均匀度、高纯度的陶瓷粉末。贾燕民等 3 1 l 曾采用s 0 1 一g e l 技术制 备得到初生态a i ( o h ) 3 溶胶后，加入还原铜粉，制取a 12 0 3 c u 复合粉末，然后 进行热压烧结，得到超细a 1 2 0 3 弥散强化铜材料。 中南犬学硕t 。学位论文第一章文献综述 具体做法如下：取a l ( n 0 3 ) 3 9 h 2 0 制得硝酸铝水溶液，向其中滴入氨水， 则有a 1 ( n 0 3 ) 3 + 3 n h 4 0 h a i ( o h ) 3 + 3 n h 4 n 0 3 ，得到乳白色a i ( o h ) 3 溶胶。 再将铜粉缓慢加入溶胶，得到铜与氢氧化铝湿凝胶的混合物。 ( 5 ) 内氧化法 内氧化法d 2 - 3 4 是将c u m 合会在氧化性气氛中加热，基体中较易氧化的溶质 m 元素被由表面扩散渗入的氧优先氧化生成氧化物。用该法可获得细小的弥散 体颗粒，同时颗粒分布均匀。由于氧在铜基体中的扩散速率即扩散反应的时间与 氧在铜基体中完成扩散反应所通过的距离的平方成正比。为适应生产的要求，扩 散的距离必须短些，而粉末冶金是解决这一问题的极好方法。因为在这种情况下， 氧必须扩散的距离只受粉末颗粒半径的限制。故此方法是目前制取弥散强化铜的 一种有效方法。为此，国外在7 0 8 0 年代，丌发了许多专利技术，通过各种手段， 促进内氧化过程的进行，以保证强化质点的生成与均匀分布。将内氧化处理过的 粉末，再进行致密化处理，即可制得弥散强化铜复合材料。与此类似，近年来出 现一些关于外氮化的研究和论述d s 。 内氧化具体工艺是p 】，首先熔炼一定含量的c u - a 1 合金，采用喷雾制粉的方 法获得细小的c u - a i 合金粉末，然后将合金粉末在适当的氧化气氛中进行内氧 化，或者取适量的c u o 粉与之混合在一起，升温至一定程度使c u o 与a l 发生 氧化还原反应，从而获得a 1 2 0 3 c u 复合粉末，然后成型烧结。 此法是成功用于生产的唯一方法。这种方法获得的第二相粒子分布弥散，颗 粒与基体界面结合良好，材料性能较好。但是内氧化过程中氧分压不易控sr j f 2 ，7 3 6 1 ，设备要求高，成本高，另外由于合会元素固溶度有限，所以获得的弥散相也 有限，无法通过提高第二相含量来提高材料强度。 ( 6 ) 机械合金化法 机械合金化法由美国b e n j a m i n 发明，是将一种或数种金属粉末在高能球磨 机中混合，通过钢球或硬质合金球对粉末的冲击和摩擦作用，反复将粉末糅合和 破碎，从而实现合会化和氧化物颗粒的均匀弥散分布，通过此法可细化粉末。 这种方法对于粉末的初始状态没有特殊要求，并且它可以实现粉未之问的任 意配比，具有很大的灵活性；同时，这种方法的设备简单，成本低廉，便于操作， 易于实现规模化。但是该法存在一个不可回避的问题，即污染问题，球磨过程中 带进的杂质铁对于材料的导电性的损害非常大。这可以通过加入过程控制剂如硬 脂酸锌、乙醇、丙酮1 3 ”等来减轻影响。 该方法简单有效，可直接加入反应性合会元素如a l 、t i 、c r 等，含量不受 固溶度限制。实践表明，该法可以显著提高合会元素的固溶度，关于机械合会化 的论述多有报道3 8 1 3 9 1 。若在球磨过程中使得粉术之间发生反应生成新相，则又 中南人学坝i j 学位论文第一章义献综述 称为反应球磨【3 6 1 。比如，将c u - a l 合会粉末和适当的c u o 粉末混在一起球磨 使之在球磨同时完成a l 的氧化和c u o 的还原。 1 2 4 弥散强化铜性能的影响因素 在一些高温环境中工作的结构件，人们对于它们冷却的能力要求越来越高。 这些场合要求材料在富氧或富氢的环境中具有高的热传导性以及高温强度，因而 铜基合会就成为首选。铜除了具有高的热导性之外，它的弹性模量低，这有利于 尽量减小结构件中的热应力。另外，与其他铜合会相比，弥散强化铜在具有高温 抗软化性的同时还具有高的电导率，因而近年来在国内外备受关注。弥散强化铜 的性能主要受如下因素影响： ( 1 ) 弥散相的高温稳定性 在服役条件下冷却工件要达到的最高温度一般在7 0 0 - - 1 1 0 0 k 范围内【柏i 。然 而，一般制备工艺的加工温度可望大大超出该范围，例如，为得到抗蠕变、变形 晶粒组织的成品退火要在1 3 0 0 k 温度下保温1 0 0 小时。因此，我们选择的弥散 相粒子必须具有相当好的高温稳定性，在中国温度范围，主要的参考粒子是那些 稳定的陶瓷相，这可以从它们的负生成焓和高熔点来衡量。此外，从可能发生的 化学反应和合金化学的温度范围两方面来考虑弥散相粒子与铜的相容性。基于 g i b b s 自由能最小原理，计算出当给定颗粒基体体系被加热到1 3 0 0 k 时生成的 平衡相，由此来衡量陶瓷颗粒的高温热稳定性能。表1 3 即是满足上述两个条件 的陶瓷材料，它们都可以用作弥散相。 袁1 3 用作弥散强化铜增强相的陶瓷材料【4 1 l 中南人学硕l 学位论文 第一章文献综述 ( 2 ) 弥散相的固溶度和导电性 人们期望弥散强化铜合金具有优良的热传导性能，以尽可能提高冷却效率和 降低材料热应力。文献 4 0 4 2 j 指出，基体纯度和退火条件对弥散强化铜的热传导 率的损害作用甚于第二相颗粒材料的热传导率的影响，这个结论适用于颗粒百分 含量f 较低的弥散强化材料。比如，当颗粒含量f 为0 0 5 时，颗粒热传导率增加 1 0 倍( b l1 0 提高到1 0 0 w m i k 1 ) ，材料的热传导率只变化2 3 【2 5 1 ( 图1 2 ) 。 合会热传导率受颗粒固有传导率影响相对较小，然而基体中的杂质则非同小可。 由于弥散相溶解于铜基体而形成固溶体可导致热传导率迅速下降。由于这个原 因，我们要求的弥散相的组成元素在铜中应该仅为有限固溶。图1 2 也表明了颗 粒体积含量对材料导热性的显著影响。因此，我们追求必要的高温强度时要求弥 散相的体积含量尽可能少。 第二相含量v o l 图1 - 2 弥散铜热传导性与颗粒体积分数的关系 若材料用作导电构件，则我们希望它的导电性应尽可能高。虽然第二相不会 与基体发生反应或溶入基体，但是实践证明，导电性好的第二相粒子要优于导电 性差者，对于含量较高的情况更是如止l 4 3 1 。 ( 3 ) 抗蠕变性能的影响因素 高温下第二相粒子阻碍位错运动可由a r z t 等人推导的蠕变理论束定量描述 4 4 - 4 6 1 。在该理论中蠕变是通过位错被“钉扎”在离丌粒子的一侧来考察的。实验 证实位错与颗粒基体界面之白j 存在着吸引力，位错挣脱应力可以表示为： 口= 【1 一k 2y f 2 0 o r ( 1 - 4 ) 式中k 是相互作用系数，o o r 是o r o w a n 应力。相互作用系数表示位错线能量在 颗粒基体表面的释放程度，它由下式表示： k = e ，陋m l - 5 ) 中南人学硕f 掣位论文 第一帝文献综述 e 。、e 。分别是颗粒上和基体中的位错线能量。如果位错得不到松弛，或者没有 颗粒一位错相互作用( 完全共格) 时，k = 1 ，另一极端情况则是当存在强烈的相 互吸引作用并且位错能量完全释放( 非共格粒子) ，此时k = 0 。当0 i 时， 则位错在颗粒处能量获得释放，颗粒对位错有个吸引力作用。所以若要使得位 错脱离颗粒，外力必须超过某一临界应力。 女值最小办即在颗粒基体界面处位错线能量得到最大释放时，材料的抗蠕 变性能最好。在这个意义上，, m z t 理论认为只要有一个适中的吸引力( k = o 9 4 ) 就可控制位错脱离从而控制蠕变行为【4 7 】。然而，报道过的k 实验数据较少。根据 这些数据，k 值一般在o 7 4 到o 9 5 范围内变化。当k o 9 4 时，所有的合金都具 有很好的抗蠕变性能，这与a r z t 理论计算结果一致。 从以上蠕变模型得出的第二个推论是对最佳颗粒直径的预测。这与经典蠕变 模型中粒径越小越好形成对比。在某一温度、颗粒体积分数和变形速率下，最佳 的粒径可用下式计算： = 志n 笋 m s ， 式中g 是剪切模量，6 是柏氏矢量大小。是波尔兹曼常数，童是一参考应 变速率，它依粒子间距而定。在保持颗粒体积分数尽量少的前提下，使粒径为最 佳值以获得最好的抗蠕变性能，这是我们所追求的。通过这种方法，尽量减少颗 粒的体积含量，从而保持铜基体的高导电性。 ( 4 ) 抗疲劳性能的影响因素 如前所述，散热器件用的材料不仅易受到蠕变变形，还可发生热机械疲劳。 然而，对于含惰性硬质粒子的材料的低周疲劳响应问题少有人研究。弥散粒子的 存在引起强度的增加，这可用修正后的o r o w a n 位错环公式表示，形如： 忙o s 4 熹v n ， 2 万l l l 。al 月 其中f 是剪切强度增量，a 是颗粒问距，r 是位错环半径，2 ，是滑移面上的平 均颗粒直径。这些颗粒在其周围基体塑性变形时会产生一个弹性反作用力，这个 反作用力有利于疲劳过程中金属的反向流动，从而强化包辛格效应4 m 。 热循环时，粒子与基体之间因热膨胀引起的错配应力的影响很重要。与 粒子和基体的热膨胀系数之差( a a ) 之间的关系如下： = 础7 ( 1 8 ) 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 其中丁是温度变化。当a a 最小时应变量办最小。材料快速冷却时原子扩散过 程不大可能的情况下，第二相粒子处就产生位错从而使得热应变松弛。这里，位 错密度的增加导致了附加的加工硬化 4 9 1 。作为该效应的一个例子，a r s e n a u l t 和 s h i 提出复合材料中位错产生引起的强度变化是体积分数，和颗粒直径d 的函 数，根据式1 - 9 5 0 1 ， a c t “方( 1 - 9 ) 在颗粒体积分数一定的条件下，强化与颗粒直径呈反向变化关系。同时因弥散强 化合金易发生蠕变，所以颗粒必须非常细小。对材料在高温下施加循环载荷，弥 散质点严重阻碍了再结晶过程的进行，从而保留了高密度位错结构。虽然高的位 错密度有助于增加疲劳强度，但同时它也严重损害了铜基体良好的热传导性。此 外，位错也将成为快速扩散通道而加速颗粒长大过程。因此，为减少含弥散颗粒 的基体中的位错密度，可通过减小粒子和基体热膨胀系数之差( a a ) 而减小热 应力。 1 3 金属塑性成形研究 1 3 1 动态回复和动态再结晶行为 金属材料在热加工变形中的动态回复和动态再结晶对热变形组织有着重要 的影响【5 “，动态回复和动态再结晶程度以及由此形成的组织特征决定了材料的 热加工态性能，并可能影响材料在后续加工和热处理时的组织和性能变化行为。 材料发生动态回复和动态再结晶时对应的典型流变曲线如图l 一3 所示，图 i - 3 ( a ) 为仅发生动态回复时的流变曲线，可分为过渡变形阶段和稳态流变阶段。 在实际加工变形过程中，变形量一般都比较大或者温度较低，变形通常位于稳态 变形阶段。 中南大学顾t 学位论文第一章文献综述 图1 - 3 热加工条件下的典型流变曲线 ( a ) 动态回复( b ) 动态再结晶 图1 - 3 ( b ) 为动态再结晶型流变曲线，发生动态再结晶时，在大应变速率条件 下，流变应力通常先增加到一最大值，然后减小到介于峰值应力和屈服应力间的 某一值并保持基本恒定。较低应变速率时，动态再结晶引起的软化与已再结晶晶 粒的变形和重新硬化交替进行，流变曲线出现了周期性锯齿型流变特征，随应变 量的增大，材料中发生再结晶的体积分数增大，软化和硬化间交互作用变得越来 越不明显，从而使流变曲线趋于平衡。 高温塑性变形过程中动态回复机制主要包括( 1 ) 刃型位错攀移【5 2 , 5 3 ；2 ) 滑动螺型位错上刃型割阶的非守恒运动【5 4 l ：( 3 ) 被点缺陷钉扎的位错脱钉及三 维位错网络的脱缠【5 5 】：( 4 ) 螺型位错的交滑移等 5 6 , 5 7 1 。这些适应于蠕变变形的模 型同样适应于高温变形。 制 矧 1 蜮 真应力 图1 4 动态再结晶与不连续动态再结晶应力应变曲线 动态再结晶与动态回复不同，l u t o n 和s e l l a r s 晦町研究了n i 和n i f e 合会的 动态再结晶行为，发现发生动念再结晶时存在一临界变形量g ，相应地存在i 临 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 界位错密度p 。，超过l 临界应变量，后发生大量再结晶所需的时间由此时对应的 应变量f ，决定。当 占。时，前一轮 动态再结晶结束前，后一轮动态再结晶就已经开始，此时占。比s 。要小一些，流 变曲线出现峰值后降低并趋于平稳，图卜4 示出了这两种流变曲线特征，其中图 卜4 a 称为连续动态再结晶，图卜4 b 则称为不连续动态再结晶。这两种形式都属 于晶粒范围内的动态再结晶，其形核过程的实质是：稳念变形时，在原始晶粒内 形成的小角度亚晶界不断吸收滑动位错或与其它亚晶合并，逐渐增大两侧亚晶粒 间的取向差，并最终形成迁移率较大的大角度晶界。 i 3 2 金属塑性成形物理模拟研究 金属塑性加工的模拟方法有物理模拟和数值模拟。二者是金属成形工艺研究 和设计的常用辅助方法。 物理模拟是在实验条件下选取合适的试样，采用合理化的实验工艺，应用先 进的测试和分析手段，尽可能逼真地再现和记录加工生产过程中人们关心的某一 过程，某一环节。物理模拟法作为一种有效的实验分析手段，对模拟材变形过程 有着不可替代的作用，既可用于指导模具和工艺设计，又可用于验证理论解析和 数值模拟等方法的研究结果。它可以避免通过实际生产过程研究问题时倩况复 杂、影响因素多和不必要的浪费等诸多不利因素，以小试样迅速精确和有针对性 地揭示材料在加工过程中组织和性能的变化规律，从而预测材料在加工过程中出 现的问题，为新材料的研制，新工艺的开发提供科学依据。通过大量的实验结果， 得出材料模型和变形边界条件，为数值模拟做好数据准备。 1 3 3 金属塑性成形数值模拟研究 数值模拟就是将物理模拟的实验结果与数值分析技术特别是有限元技术结 合起来，研究材料在塑性加工过程中的变形情况、温度、应力，应变等分布规律 以及微观组织、力学、机械及物化性能等的变化情况，数值模拟可以弥补当前物 理模拟技术的局限性。利用合适的数值分析方法以数值形式在计算机上再现实际 加工过程，它可以使人们不必亲临生产现场而能够定量、直观、准确和全面了解 中南大学硕 学位论文第一章文献综述 加工过程。利用数值模拟计算的结果，可以调整工艺参数，优化工艺流程。同时 数值模拟有助于定量、直观、准确和全面了解加工过程，避免以往在多种工艺环 节上仅凭经验办事带来的人力、物力和时间的浪费。为提高产品质量、提高生产 率提供科学依据。目前，数值模拟技术己成为会属塑性成形领域重要的研究手段 以及现代生产过程中不可缺少的重要步骤。 ( 1 ) 变形模拟 在国外，科普、道森、汤姆森等人1 5 剐用有限元法，采用不同网格尺寸，对 各种会属热挤压过程进行了不同层次的模拟，获得了力、功、能、平均压力和平 均温度、金属流动、应力、应变、应变速率、温度等信息。1 w a m 等人【5 9 】采用弹 塑性有限元分析了轴对称和平面应变静液挤压问题，预测出了静液挤压过程中塑 性变形区的发展情况及静液压力随坯料位移的变化情况。s h a h 和k o b a y a s l l i e o l 采用刚塑性有限元法，分析了轴对称状态下无摩擦的锥模挤压。g u o 等人【6 1 1 采用 刚塑性有限元技术，对复合挤压过程进行了数值模拟。 在国内，于沪平等人【6 2 噪用塑性成形模拟软件d e f o r m ，用刚粘塑性有限 元罚函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝 合会的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。谢水生等人【6 3 】也对轴 对称静液挤压进行了弹塑性有限元模拟，分析了不同模角、不同型线凹模及不同 挤压比对挤压力的影响。为了克服用小变形弹塑性有限元分析挤压问题时存在较 大累计误差的不足，阮雪榆等人啤1 对双层金属的正反向挤压工艺进行了有限元 分析。 ( 2 ) 温度场模拟 “会属热挤压过程中，模具系统( 包括导流模、模子、模垫、模套等) 和变形 会属之间的热平衡状态非常复杂，既包括由金属变形产生的热量，也包括模具内 壁和会属之间摩擦产生的热量，还包括金属内部相互摩擦所产生的热量。各个部 位之间的热交换也很复杂。在这方面，英国的