（材料物理与化学专业论文）高强耐磨cunisn合金时效研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了高强耐磨c u _ 1 5 n i 8 s n - 0 2 5 l - 0 1 f e 合金的时效特性，通过硬度测 定、室温拉伸、金相分析、x r d 、s e m 和t e m 等方法研究了不同热处理工艺对 上述合金力学性能和组织结构的影响及变化规律，并进行了理论分析。结果表明： 1 合金成分为c u 1 5 n i 8 s n o 2 5 m n o 1 f e ，经挤压一在线固溶一冷拉成棒材，之 后再经分级时效处理，合金的硬度可达h r c 3 3 ，抗拉强度和延伸率分别可达 1 2 6 8 m p a 和3 6 。 2 研究合金为典型的时效强化型合金，随时效温度的升高或时间的延长合金的硬 度、强度先升后降。在本论文研究条件下，合金的强化机制为固溶强化、形变 强化和时效析出强化。 3 研究合金单级时效时，较高温度和较长时间的条件下，棒材容易产生纵向裂纹。 这是由于变形不均匀和晶界上析出的平衡脆性相耦合作用的结果。分级时效处 理，低温下先让合金内部的宏观应力松弛，再在较高温度下时效，可有效地避 免棒材纵向开裂。 关键词：c u - n i s n 合金，时效，强化机制，裂纹 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e a g i n g c h a r a c t e r i s t i c so f 1 1 i g h s e n g ma n d 、v e a r r e s i s t i n ga 1 1 0 y c u - 1 5 n i - 8 s n o 2 5 m n o 1 f ew e r es t u d i e db ym e a i l so fh 羽n e s sm e a s u r c m e n t ，t e n s i l e t e s ta tr o o mt e m p e r 咖r e ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ，x r d ，s e ma n dt e m n l ei n n u e n c eo f d i 靠打e mh e a t 订e a t m e mp r o c e s so nt h em e c h a l l i c a lp r o p e r t i e sa 士1 dm i c r o s 缸u c t u r eo ft 1 1 e a b o v e a 1 1 0 yw a sa 1 1 a l y z e d n l er e s u n ss h o wt h a t ， t h ef i r s t ，ak i n do fc u 一1 5 n i 一8 s n - 0 2 5 m n o 1 f ea l i o yw a sp r e p a r e da n d 山er o d s w e r ef b 玎n e db ye x 仃u s i o n 旬n l i n es 0 1 u t i o n 打e a t m e d 卜一c 0 1 d d 训n ga i l dp r o c e e d e db y s t e p p e da g i n g t h e nh a r 血e s so f 廿1 ea l l o yr e a c h e sh r c 4 0 ，觚i i es 眈n g 山a 1 1 de 1 0 n g a t i o n r e a c h e s1 2 6 8 m p aa 1 1 d3 6 r e s p e c t i v e l y t h es e c o n d ，t h es t u d i e da l l o yi sat 谢c a la g i n gs t r e n g m e n i n go n e w i mt h er i s i n g a g m gt e m p e r a t u r eo rt h ep r o l o n g a 廿o no fa g i n gt i i n e ，血eh a r d n e s sa 1 1 ds t r e n g t l lo fm e a 1 1 0 yr i s e sf i r s t l ym e nf a l l s u n d e rt h ec o n d i t i o no fm i sm e s i s ，t h e 妣n g t l l e i n g m e c h a n i s mo fm ea b o v ea l l o ym a i l l l yi n c l u d e ss o l u t i o n s 廿e n g 血e n i i l g ，d e f 0 n a t i o n s n n g t l l e l l i n ga n da g i gs t r e n 甜h e n i n g t h e 仳r d ，d u r i n go n e - s t a g ea g 址g ，u r l d e r 出ec o n d i t i o no fl l i g h e rt e m p e r a t l l r ea n d l o n g c r “m e ，m cr o d st e n dt of o 皿i o n g i 删m “c r a c b 砸si sd u et o 也ec o u p i i n go f i t l t l o m o g e n e o u sd e f o 皿a t i o na i l dm eb r i m ee q u i l i 醅u mp h a s eo nt h eb o u n d a 珥h o w e v e r ， s t e p p e da g i n g ，w m c hr e i a x e si n t e m a lm a c m s t r e s su n d e rl o w e rt e 瑚p e r a t u r et h e na g e s u n d e rl l i g h e rt e m p e r a t u r e ，c a na v o i d1 0 n g i t u d i n a lc r a c k se 矗e c t i v e l y k e y w o r d s ：c u - n i s na l l o y ；a g m g ，s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m ，c r a c k i v 中，南乇学硕士学c 主论文 第一章文献综述 1 1 高强耐磨铜合金发展概况 1 1 - l 研究历史 早在1 9 2 8 年，j 丁e a s h 等人就发现了c u n i ，s n 合金的时效现象，即c u s nl i 俐中n i 的加入改进了铸件质最，提高了合金强度，并且对c u n i s n 合金三元、r 静j 州圈的富铜角进行了广泛的研究，确定了q 帽的边界极限。随后b a s t o c o 目 k i r k w 0 0 d 利用显微探针分析技术重新研究了富铜相区，指出n i 的加入降低s nf 1 c u 的溶解度，扩大d + y 两相的范围，合金中y 相来自c u _ s n 系，由于n i 的添， 很可能产生一种有序的面心立方d 0 3 金属间化合物( c u 烈i 卜x ) 3 sn f i i 。到r6 0 年f h i l l e r t 、c a h n 、h i l l i a r d 等人创立了调幅分解理沦，取得了引人注目的发展，在戍川 h 渊幅移 解理论已被广泛用f 会属、陶瓷、离分子、功能材料的研制和丌发。h 凋i 蝠分解在理论和实用上的潜在魅力就在于它将合金成份、热力学性质、温度、咿 稳相析出序列等特征有机地结合在一起，从而有可能预言亚稳相分解的阶次序列、 相分解动力学、形态学和强化温度，达到控制合金微观组织结构和性能的目的| 2 】。 7 0 年代之后，s c h w a n z 等人利用t e m 观察到c u n i s n 合金在时效过程中通过 偏聚分解( s p i n o d a ld e c o m p o s i t i o n ) 形成调幅组织( m o d u l a t e ds 廿u c t u r e ) ，为材和l 归! 化提供理论依据。此后，p i e w e s 通过时效对合会施以大的冷变形，明显提高了i ? 鑫的塑性断面收缩率v 4 0 。人们发现对各种成分的c u - n i ，s n 合会，对j 、tj 0 的时效温度和时间，在脆性和延性断裂之间存在一个临界变形量。例如c u 一9 n i 一“n j 合愈在3 2 5 时效至峰值强度n 勺条件下，临界变) 髟量为7 5 ，若小于该值，常为帆 性断裂，反之为延性断裂。颅冷变形的这种作用，主要在于改变了调幅分斛( s p i n o l a j d e c o m d o s i t i o n ) 的动力学，促进凋幅组织振幅迅速增长，使在较短时间内达到蜂仇 姒度，以避免脆性相的出现。图1 1 表示了冷变形程度和时效温度对c u 9 n i 6 s n 台会延性的影响l j j 。 7 0 年代中期，美国贝尔( b e l i ) 实验室研制成功了一种时效硬化型高强度耐蚀 铜合会，强度接近或超过沉淀硬化型敛青铜合会。8 0 年代初，改合金正式纳入炎 个，。技术标a l ：，定名为c 7 2 9 0 0 ( n i ，1 4 5 一l j - 5 ，s n ，7 5 85 0 ) ，其它有c 7 2 6 f ) f i ( c u - 4 n i 4 s n ) ，c 7 2 7 0 0 ，c u 9 n i 一6 s n ) ，c 7 2 8 0 ) ( c u 1 0 n i 6 s n ) = 8 0 年代后，( ? l j v c r s c o r e y 与r o ya s m i c j l 埘岛锡高镍合金铸造过程中始终存在锡的严r e 偏折j 、 降低了台会埋性，捉f 士；颅台金化后唢粉制取c u n i s n 合金颗粒，采取粉米冶惫江 第一章丈献综连 ( p m ) 制取c u 一1 5 n i _ 8 s n 合金带材的专利，其公认商业牌号为p f i n o d a l 。其中c 7 2 9 0 0 专利技术拥有者为美国p f i z e r 公司【“。 。：辟麓墨震( c ) 每 痔 卷 蒋 o 图1 1冷变) 侈程度和时效温度对c u 9 n i 一6 s n 合金延性的影响1 3 】 1 1 2 现状及应用 随着电子设备和仪表仪器同趋小型化和轻量化对在该领域中被广泛应用弹r | 材料提出了更高的要求。一方面要求提高弹性元件、接插件、继电器簧片、膜片 等的强度，以减小元件尺寸：另一方面则要求长时间使用时保持可靠的电接触，小 即保持良好的弹性和稳定性，同时还要求具有耐高温、耐腐蚀、抗震动、抗辐照等 性能，以适应各种不同的工作环境。迄今，改良型的铍青铜仍是综合性能最佳的 唯一选择，其屈服强度可达1 2 11 m p a ，然而昂贵的成本和生产过程，有毒物质对 环境的污染，以及高温抗热应力松弛性能和其它方面的不足，促使人们不得不寻找 铍青铜的代用材料。近年来，以调幅分解强化为基础的一系列高强度铜合金应运l 斫 q 三。它以其高的强度和韧性相配合，具有优良的抗腐蚀性能、良好的焊接性以技 无环境污染，生产工艺简单，成本比铍青铜低等优点，令人瞩目。因此，近期 内外进行了大量铍青铜代用材料c u n i s n 系合金的研究。 c u n i s n 合金之所以受到人们的重视，一是因为其性能与传统的铍青铜相”1 战 部分优于镀青铜，它有高的强度、好的成形性、优越的导电性和抗腐蚀磨擦能力， j 一泛代替c u b e 合金用于制造连接器、膜片元件、弹簧元件等电子领域。二是吲为 c u n i s n 合金的综合性能明显优于c u b e 合金。c u b e 合金强度和塑性分别为 1 3 8 0 m p a 和1 8 ，c u 1 5 n i 一8 s n 为1 3 1 0 m p a 和4 8 【5 1 。 c u n i s n 合金具有如此优越的性能是因为它在时效过程中形成了均匀致密的 中南走学硕士学位论文 调幅组织( m o d u l a t e ds t m c t u r e ) ，它是单相过饱和固溶体均匀偏聚或分解成周期性 交替分响，的共格亚稳态两相组织，又称微双相组织。两相沿某弹性软方向呈周期r f 排列( 如图1 2 ) 【6 】，富溶质粒子间距为l o 3 0 n m ，并沿弹性软方向( 如【1 1 0 】) 排 列，这种调幅组织最早是由d a n i e l 、l i p s o n 观察到的在主布拉格峰两旁，出现不刈 称的散射边带( s i d e b 柚d ) 。 一 图1 2c u 1 5 n i - 8 s n 合金经4 0 0 l h 时效后的电镜照片【6 】 1 1 3 研究前景 利用先进的电子显微术( t e m ) ，扫描电镜( s e m ) ，x 射线衍射( ) 、场 离子显微镜( f i m ) ，对调幅分解的热力学、动力学、脱溶序列进行进一步改进和 深化。在实用上调整冷变形和热处理制度，并配以适量的第四种元素，有效地促 进调幅分解的进行而抑制不连续沉淀和晶粒长大，研制出性能更佳的c u - n i s n 合 会。该合金今后研究的主要方向有1 7 】： 1 ) 深入研究材料热处理工艺与组织、性能的关系，充分发掘材料的潜力： 2 ) 寻找更新更好的制备方法，抑制s n 的偏析，提高合余性能： 3 ) 深入研究调幅分解强化的机理，以指导新型材料的开发： 4 ) 开发性能更为优异的合金系列，如添加第四组元改善性能或采用其他元索 代替n i 、s n 。 1 2c u n i s n 系合金的制备方法 真空熔铸法工艺是将三种金属原料铜、镍、锡放入感应炉中的石墨坩埚内，氩 气保护下进行熔炼，先添加铜镍，待基本熔化后加入其他元素，然后再添加锡。高 于熔点1 5 0 下铸成ol l o 【i l i n 的圆锭。为减少铸锭中锡的偏析，应将铸锭均匀化， 通常将铸锭于8 2 0 8 5 0 长时保温处理，应对热加工进行描述、锻造、挤压。为改 第一章文献综述 料的综合性能，时效前对合金施以定的形变处理，以充分发挥调幅结构的强化作 用，随之于3 0 肚5 0 0 进行时效。 熔炼法制取合金的最大问题是锡的偏析，因此人们采取粉末冶金法和快速冷凝 法。 粉末冶金法的基本工艺是首先采用雾化法制得预合金粉或部分预合金粉，然后 采取常规粉末冶金工艺。所用的原料粉一般有两种，一种是通过快速凝固法雾化获 得的c u n i s n 三元预合金粉。另一种是由锡青铜( c l l 9 0 s n l o ) 二元合金粉加c u 粉或 n i 粉组成的部分合金粉，采用锡青铜粉的目的是保证s n 完全固溶于c u 中，防止 因n i 的加入而抑制s n 在c u 中的固溶度。由于上述两种原料粉中的s n 皆以合金 化的形式加入，均在一定程度上抑制了s n 的偏析，因此可以制备出成分均匀的高 s n 含量的c u 埘i s n 合金【“。 制各上述原料粉后，采取不同途径使粉末成型。目前三元合金粉多用直接轧制 成带材。该过程是一个连续作业的生产线。预合金粉从送料斗加入，依靠粉末与轧 辊表面的摩擦力送入轧辊，轧制成带料后烧结，为提高材料的密度，合金须经过多 道次的轧制与退火，最后进行卷带。另一种方式采用常规压制烧结成型。粉末混合 过程中加入0 5 硬脂酸锌作润滑剂，用3 1 0 7 7 5 n m m 2 的水压压制成坯，然后在 4 0 0 下保温5 分钟使润滑剂充分挥发，最后压坯在8 0 肛1 0 5 0 中烧结1 0 3 0 分钟。 实验中烧结时间与烧结温度的配合依烧结时液相出现的多少而定，为了防止压坯烧 结过程中形状的改变，可以采用分步烧结。所谓分步烧结即先在较低温度中 ( 8 0 0 8 5 0 ) 保温几分钟，然后在高温区( 约9 5 0 ) 烧结【7 j 。 快速凝固法是采用m e l t s p i 加_ i n g 法制各c u - n i s n 合金，其冷却速率可达1 0 5 科s 数量级，这样高的冷却速率虽然还不能使合金化学成分完全均匀化，但已在很大程 度上减少的s n 的偏析程度和枝晶偏析间距( s e g r e g a t i o ns p a c m g ) 。快速凝固法制 得的c 7 2 9 0 0 合金枝晶偏析间距为5 岫，而熔炼法制得的合金的枝晶偏析间距却有 2 0 u m 【7 1 。 采用快速凝固法还可以制取传统熔炼法不能制得的高s n 含量的c u - n i - s n 合 金，如c u 1 0 n i 1 2 s n ，该合金由于s n 含量高，用传统熔炼法制取，锡的偏析严重， 合金成分不均匀，而用快速凝固法可以制得成分均匀的合金【7 】。 1 3 调幅分解 1 3 1 调幅分解理论 g i b b s 将过饱和固溶体分解分为两大类：调幅分解和形核长大。二者都是过饱 和固溶体的分解的两个极端情况，前者是按所谓上坡扩散机制均匀偏聚，连续分解 呈周期性分布的成份波，无需形核，扩散系数为负。调幅分解通过浓度的周期起伏 中南大学硕士学位论文 和浓度波幅的连续增大最终形成溶质贫富的两相呈周期分布的调幅组织，该两相保 持共格，所产生的周期变化的弹性应变场能强烈地阻碍位错线的移动，导致强化。 发生调幅分解的条件可以从 。 下图l 一3 解释：图i 3 表示具有两 相混合区的二元系，当a 固溶体 由高温单相区t l 温度急冷至临界 温度t r ( 亦称亚稳界限) 以下某 温度( t 2 ) 时，呈过饱和状态的a 固溶体将分解成浓度为c ，的n 。 和浓度为c 2 的o2 。t 2 温度下系统 的自由能成分曲线如图( b ) 所示， 具有两个极小值和极大值，因而 自由能曲线存在拐点( s 和t 7 点) ，在该处自由能对成分的二阶 导数为零( a 2 g ，a c 2 = 0 ) 。凡成 分处在两拐个点间的合金( 例如 c o ) 当其成分发生微小的起伏偏 b x 一一 图l 一3 s p i n o d a l 分解示意图1 3 】 离c o ，分解成c 、c ”两种成分时，其混合状态的自由能( g 。) 反而低于原合 金的自由能( ) ，因而这种分解成不同成分( 高浓度和低浓度) 的两相的过程能 够自发进行，不必像一般脱溶过程那样，需要大的成分起伏来克服形核势垒。这种 分解被称为s p 矾o d j a l 分解。在相图中，把每个温度下a 2 g a c 2 = 0 的点连起来 的曲线称为s p 琳o d a l 线。在该线以外的区域，台金分解时仍遵循形核长大 机制。 s p 矾o d a l 分解的特点可归纳为如下： 1 ) 不需要激活能来克服形核势垒，故分解迅速，没有孕育期。 2 ) 分解的结果在整个晶粒范围内形成细微的、成份呈周期变化的结构一调幅 组织，其组织均匀致密，不易租化，不易过时效，对缺陷不敏感，抗腐蚀 性高。 3 ) 分解后成份贫、富的两相保持共格，所产生的周期变化的弹性应变场能强 烈的阻碍位错线的移动，从而产生强化作用，称为调幅分解强化，这是材 料强化的又一种机制和途径。 4 ) 利用磁场处理、形变处理和热处理能适当控制调幅分解时的各相异性，以 进一步提高某一方向上的性能。 第一章吏献综连 1 3 2c u n j s n 系相图 j 一p l e w s 认为能发生调幅分解的c u n j s n 合金的成分范围是该合金在接近址 熔点附近的温度时处在。单相区，而在低温时处在o + y 两相区。图1 4 为c l l n i 。s n 系三元相图富铜角区，图中所示的阴影部分即说明合金在高温固溶处理后低温叫被 可以形成调幅组织的成分范围。 阁1 4c u n i s n 系富铜角相图1 8 j 1 3 3c u n i s n 合金获得调幅组织的工艺条件 c u - n i s n 的n 固溶体在时效分解过程中，也存在两种倾向性，种是由于一岂 制度不合理导致晶界与晶内不连续析出，产生胞状组织，这种组织实际是q 与y i 相问的片层结构，它将严重降低合金的塑性。另一种是通过严格控制工艺使偏聚分 解过程中形成连续的均匀分布的调幅组织，其中通过上坡扩散完成聚集过程。 酋先，控制。过饱和同溶体的品粒度，合金中锡含量低于5 时，允许t 铺柑l u 在1 0 0 u m 以下：高于5 时，需控制在2 5 m 以f ；过大的晶粒度导致材料掣川l 裎1 ：降。j t p l e u r e s 的研究结果认为：最佳的i 仙粒度为1 2 u m 左右，这种细l i 憎 需要冷变形度和中间退火制度的精心凋整，为避免退火缓冷时y 相的析，i 箭些l 用冷水或盐水急冷淬火。 其次，时效处理河，必须寸过饱和同溶体施以7 5 以上的预冷加工度。返 措施有利于减缓晶界和j 品内不连续析出的发生，即有助于调i 畸组织的形成，f 求 金在具备高强度性能的同时仍具有优良的塑性。有关形变强化的原理，s s p ( 川m 巾，b 太学硕士孝珏恐吏 却认为，形变并未改变州幅分解n 0 机制 再次，应避免在临界温度t 。以上 进行时效。所谓临界温度t 。，系指台 金在咳温度之上时效将会产生发达的 胞状组织，即在晶界和品内出现y 相 片层结构。在性能j ：，将导致台金 涩f e 骤然卜降。对应 ：成分的台金 存在不同的i 晒界时效温度l 。扒拱一；调 l 分解热力学计算出( 1l 】- j j n i 一8 s nf 仅是位错强化和调幅组织强化的结粜 5 c c i 曰c ， 疗c 金的临界温度为3 2 4 8 。j t l ，i c w e s 蚓2 5 经系统研究，提出c u q n i 一6 s n 台金的 shh 预泠抽i 复一 一 c u 9 n j 6 s n 合金时效温度与! i 耳 加工度的关系h l 寸效温度t 。与其预冷加 一度的变化关系， 如阔1 5 所示。图中阴影线区域是允i i 的时效温度范围，要求时效前的预冷加工度大于7 5 。并且随着预冷加工度的增加， 展低的时效温度降低。但无论如何，最高时效温度不宜超过合金的临界温度。 1 4 研究调幅分解的途径和方法 j h 已指出一s p i n o d t 1 分解的城口实验证据魁d a n i e l 和l i p s o n 在x 射线分n i 观察到边带现象( 主蜂i 埘删的小峰) ，当成份波振幅为a ( b ，t ) ，边带强度i if ； 关系为i ( b ，t ) = a 一捌一z 中南大学项士学拉论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ 一 2 50 l ( 】 20 0 0 0 磊 5 l5 0 0 0 = 1u u u l j 5 ( j ( ) 0 25 0 0 0 2 i j l h l u 山 已l5 0 0 i i i 】0 0 i j j | 】o u 广一- r 丁一t r 广r _ 厂r 20 4 0 2e 劁4 9 孙州州小处j _ i | ! 态合金f | ：x r dh 晰 。i ) 纠! 制：h 1 川一? ，s ：。j _ ；i j l jc j o ，5 h ：( | 】3 0 0 7 h ： e ) = ；【) 【) o 孙圳j ( 1 ，7 1 1 7 川蚓洲 ：0 ， o 7 h ：g ) 3 7 ( ) c ，1 h 儿 lm w 0 1 1 、h t e ”一n u “* * h w l 目h ”l ：一 jq w 】一r u n m 【q ，* j ：m fj b 。i # wr m - w 自t * # 一i m 一 * ”p p - ! i ，s l n 归z jj r 一丽= i b 廊 “w m * $ m * * t n l 罩s n m m j 、- l ，o5 h # 3 0 0 y 7 b _ i r l n 0 * * 2o m m 自# 自( 目4 ) 珂 n 目 叮k 女十m t n m * 镕n 十# n 十n i - t * e 日* 目h # d - 9 凸自4 4 b 日“。b ”n 女* 目- * 1 t ” m a m t t # n 女mn # 女自5 i 【f * 女# 1 2 0 ) 。* * ( ! ) “m * k f l l l )# j ”4 * m 月i 啊m r * ( 1 1 1 ) i m 0 43 透射电子显微分析 1 f m 】 - u * “m “i ：m 目q1 0 中南太孝硕士学垃论文 图4 1 0 不同时效处理条件下台金的透射电子显微组织 a ) 3 0 0 5 h ，变髟条带；b ) 3 0 0 5 h ，基伴中的析出相；c ) 3 2 0 5 h ，微裂纹沿品界扩展 结果表明，第一，晶内存在系列半行条带，对照图4 3 ，可以看出这些平行条 带为冷加工遗留下来的变形条带；第二，3 0 0 5 h 时效样品巾，固溶体基体发生分 解，主要析出相为y 一( c u ，n i b s n ；第三，3 2 0 ，5 h 时效样品中可见到微裂纹沿晶界 扩展。 中南大擘硕士学位论丈 第五章分析与讨论 5 1 不同处理态合金组织与性能的关系 所研究的c u - 1 5 n i 一8 s n o 2 5 m n o 1 f e 0 2 s i 合金经挤压后在线固溶冷变形一 时效成材。不同处理态合金的显微组织结构不同，性能也不同，下面分别进行了分 析和讨论。 5 1 1 挤压态和挤压在线淬火态合金的组织与性能的关系 图5 1 为n i 含量为1 5 的c u - 1 5 n i x s n 伪二元相图，n i 和s n 可部分溶入铜 基体，形成面心立方的n 固溶体。研究合金挤压温度为8 5 0 ，处于单相固溶体区 域，热加工成形性能赵好。挤压后空冷，固溶体分解析出平衡的y 一( c u ，n i ) 3 s n 相， 合金为基体固溶体和平衡的y 一( c u ，n i ) 3 s n 两相组织( 图4 1 a ) ，合金的硬度和强 度比较高。挤压后水淬，合金为过饱和固溶体单相组织( 图4 1 b ) ，合金的硬度 和强度比较低，塑性较好，适宜于后续预冷拉伸变形。考虑到棒材样品长达数米， 挤压后再固溶，工艺上较难做到，因此挤压后立刻水淬这种在线固溶方式是合理的 和可行的。 图5 1c u - n i s n 系伪二元相图【9 】 分析与讨论 5 1 2 挤压一在线固溶后预冷变形态合金的组织与性能的关系 图4 1 的金相组织和图5 1 伪二元相图表明，挤压一在线固溶后的合金为面心 立方结构的单相固溶体，这种固溶体容易产生滑移变形，预冷变形后合金硬度大大 提高。预冷变形后合金硬度升高是源于变形过程中的位错增殖，因为形变强化的效 果与金属中的位错密度有关，维持金属塑性流动所需的分切应力t 与位错密度p 的 关系可用下式表示圆： f = f 0 + 和v 2 式中to 表示没有位错干扰时所需的分切应力，a 为经验常数，a 的大小与剪 切模量g 和位错的柏氏矢量b 有关。因此随着冷变形量的增加，位错密度增加， 合金的硬度和强度也增加( 表3 2 ) 。 文献1 2 3 例还表明，时效前的预冷变形还能促进固溶体分解，增加析出相的体积 分数，因此，高强耐磨铜合金工艺设计一般都包含有时效前的预冷拉变形。第三章 曾指出，在本研究条件下，合金的硬度随预冷变形量的增加而增加，而且增加的幅 度很大( 表3 2 ) 。般来说【3 2 】，要使棒材组织均匀变形，冷加工量应大于8 0 ， 否则棒材横截面上存在明显的残余应力，但是，预冷变形度超过5 0 ，进一步拉伸 成材变得困难，很明显这是一个今后有待解决的矛盾，很可能需要改变预冷变形方 式( 冷拉改冷锻或型轧工艺) 来解决。 5 1 3 不同时效态合金组织与性能的关系 由相图可知，8 5 0 时s n 在c n 1 5 n i 合金中的溶解度达1 2 ，随温度降低，其 固溶度迅速减小，并析出y ( c u n i ) 3 s n 相，因此，可利用时效处理来强化c u _ n i s n 合金。图4 1 0 表明了合金经3 0 0 5 h 时效后，固溶体基体上析出了第二相，在宏 观性能方面表现为合金硬度升高( 图3 一1 ) 。资料表明5 】，时效过程中析出的y 相 是时效强化的主要强化相，y 相是有序的面心立方结构( c u ，n i ) 3 s n 化合物，并且y 相的微观形貌与结构随合金组分浓度、时效前冷加工程度及时效工艺的不同而不 同。 在本实验条件下，当时效温度较低和时效时间较短时，析出相主要在晶内析出 ( 图4 1 0 ) ，这种晶内析出物增强了合金基体抵抗变形的能力口9 】，合金的硬度和 磁明显上升( 表3 1 ) 。当时效温度较高和时效时间较长时，晶界上会析出不连续 富s n 相析出物( 图4 6 ) ，研究表明，这种沿晶界析出的不连续沉淀则降低了晶 界的结合力，使晶界弱化，造成合金在时效开裂 4 2 1 。 中南太学硕士学位论文 5 2 时效条件下棒材开裂的原因及防止开裂的可篚途径 5 2 1 时效条件下棒材开裂原因探讨 第三章和第四章的已经结果表明，单级时效时，时效温度较高，时效时闻较长， 棒材容易出现沿纵向和沿晶界的裂纹，合适的分级时效处理可避免这种开裂。对于 这种现象，论文作者有以下认识。第一，在线固溶的棒材经受5 0 的拉伸后横断面 上的变形不均匀，棒材的外部变形大，心部变形小，棒材内部存在很大的宏观应力： 第二，时效过程中，除晶内析出y 一( c u ，n i ) 3 s n 相外，晶界上也会析出y 一( c u j 岍) 3 s n 相。时效温度愈高，时效时间愈长，晶界上的平衡相愈多。平衡的y 相性质较脆， 大大降低了晶界的强度；第三，单级时效时，棒材因为内部的宏观应力的释放导致 鉴上所述，棒材纵向开裂的原因是棒材加工过程中变形不均匀和时效过程中晶 晃脆性相的析出耦合造成的。因此，防止棒材开裂的可能途径有二。第一，改变在 线固溶后的冷变形方式，使棒材横断面尽可能变形均匀，可以考虑将冷拉变形改为 冷锻或冷型轧；第二，采用合适的分级时效处理工艺，低温下时效，让残余应力尽 可能释放，之后在较高的温度下时效，使合金得到强化，本论文分级时效处理的结 果证明这种考虑是可行的。 孑；) j 厶 中南大学硕士学位论文 结论 1 研制了一种成分为c u - 1 5 n i 培s 0 2 5 l - o 1 f e 的合金，经挤压一在线固溶一冷 拉成棒材，之后再经分级时效处理，合金的硬度可达h r c 3 3 ，抗拉强度和延伸 率分别可达。1 2 6 8 m p a 和3 ，6 。 2 研究合金为典型的时效强化型合金，随时效温度的羿高或时间的延长合金的硬 度、强度先升后降。在本论文研究条件下，合金的强化机制为固溶强化、形变 强化和时效析出强化。 i 研究合金单级时效时，较高温度和较长时间的条件下，棒材容易产生纵向裂纹。 这是由于变形不均匀和晶界上的析出的平衡脆性相耦合作用的结果。分级时效 处理，低温下先让合金内部的宏观应力松弛，再在较高温度下时效，可避免棒 材纵向开裂。 中南大学硕士学位论文 参考文献 1 孟树岜，关于c u - 1 2 n i - 8 s n 弹性合金的研究和应用，仪表材料，1 9 8 4 ( 2 ) ，v o l l 5 ， n o 1 ：2 2 - 2 6 2 刘迪明，铜镍铝钛合金的s p i n o d a l 分解和结构变化，中南工业大学硕士论文， 1 9 8 6 3 江伯鸿，s p i n o d a l 分解合金及其应用，仪表材料，1 9 8 8 ，v o l l 9 ，n o 3 ：1 6 5 一1 7 1 4 李洁兰、王欣平，国外c u - n i s n 弹性合金发展广概况，铜加工，】9 8 8 ，n o 2 ：1 5 2 3 5 n a r e s h c h r c a n d 均j k a r ，u s p a t e n t4 6 4 1 9 7 6 ，f e b ，1 0 ，1 9 8 7 6 c r s c o r e y ，s c h j n ，m j w h i t e ，r j l i v a ks p 山d a lc u n i s na l l o y sf - o re l e c 竹o i l i c a p p l i c 撕o n ，j o u m a lo f m 削s ，n o v ，1 9 8 4 ：5 2 5 4 7 郑史烈、吴年强、曾跃武、李志章，高弹性导电合金c u - n i s n 的研究现状，材 料科学与工程，1 9 9 7 ( 9 ) ，v 0 1 1 5 ，n o 3 ：6 1 6 5 8 j t p l e w e s ，h i 咖蜘g t hc u - n i - s na o y sb yt h e r d l om e c h a l l i c a ip r o c e s 血 m e t a i l u 曙i c a l 铂口眦血n a ，1 9 7 5 ，3 ，v 0 1 6 a ：5 3 7 9 j c 盈a 0 孤dm r n o t i s ，s p 岫d a ld e c o m p o s i t i o n0 r d e 血g ，1 h n s f o 衄a t i o na n d d i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a d o i nac u - 1 5 n i - 8 s na l l o y a c t am a t e r ，1 9 9 8 ，v b l 4 6 ，n o 1 2 ： 4 2 0 3 4 2 1 8 1 0 张美华、魏庆、江伯鸿、徐祖耀，c l 】d 盯s n 系合金s p i n o d a l 分解热力学，上海 金属，1 9 9 0 ，1 2 ，1 1 ( 6 ) 1 1 l d w a n c l c h e n ，m k 磁衄g ，o n1 1 1 ed a n i e l - l i p s o n sw 打e l e n g l hf o 皿u i ao f s p 劬d a ld c c o m p o s i d 呱s c 卿c a 啦0 0 0 ，v o l 4 2 ：7 2 5 7 3 0 1 2 魏全金，材料电子显微分析，冶金工业出版社，1 9 9 0 1 3 m 姗i c h im 瞄，y o s h i l ( i g oo g i n a ，e 位c to fs ia d d 沁o no n 也ec e l l m a r p 瑚i p - t a t j 0 i n a c u - 1 0 n i 一8 s na l l o y ，m a t 盱t f 锄。j 讧，1 9 9 0 v o b l ：9 6 8 - 9 7 4 1 4 m 啦m i c h im i k i ，y o s h i k i 9 0o 舀n a e 雎c to fb ，po nt h ec e i l u i a rp r e c i p i t 撕o ni n n i - s n 蛆dc u n i s n l o y ，他哪j 蹦，1 9 8 4 ，v o l 2 5 ：6 1 1 - 6 1 9 1 5 李示燕，杨瑞成，微量元素z r 在c u - n i s n 合金分解中的行为，1 9 9 6 ( 6 ) ，v o l 2 2 ，n o 2 1 6 张利衡，少量 h l 对c u - 1 5 n i 一8 s n 合金时效硬化的影响，上海有色金属， 9 6 ( 6 ) v o l l 7 ，n o 2 1 7 张利衡，c u 9 n i 一6 s n 合金的组织与性能研究，上海金属( 有色分册) ，1 9 9 3 ( 4 ) ， 、，0 1 1 4 n o 2 18 mh u 加m ，h e a t 骶a n ：n e ma n dp h a s eh l t e n _ e l a t i o n s h j po f 也e s p m ) 7c a s t 4 3 参考文献 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2