（材料加工工程专业论文）高梯度定向凝固cucr自生复合材料的组织与性能.pdf

西北t 业大学硕士学位论文 摘要 定向凝固c u c r 自生复合材料由于具有高强度、高导电性，同时因其在凝固 过程中自动形成而避免了人工复合材料中长期存在的界面污染、稳定性差等不 足，因而在电气化铁路用电车线材方面有广阔的应用前景。本文就是以电车线的 应用为背景，采用c u c r 合金作为研究对象，从凝固工艺和凝固机制两个方面， 系统地研究了其在定向凝固工艺下的组织形态及其强化元素的析出行为。主要内 容和成果有： l 自行设计了一台双区加热高梯度定向凝固装置。该装置采用了双区加热和 液态合金直接冷却技术，再配以合适的辐射挡板，可以提高液固界面处的温度梯 度。抽拉系统可以实现较大范围内( o 2 - - 8 5 0 1 m s ) 的连续调节，抽拉过程平稳 可靠，低速抽拉时无爬行蠕动现象，同时具备液淬功能。 2 揭示了c u c r 共晶的生长形态，发现其在共晶生长过程中，共晶体( d + d ) 依附在相上生长：c u c r 因有较好的共格关系，其共晶形貌按照其结晶结构学 特点生长，定向凝固下热流的方向影响不显著。 3 在非平衡凝固条件下，亚共晶c u c r 合金凝固组织的一般特征为柱状的初 生值晶之间分布着条状的c u c r 共晶体，前者主要起导电作用，后者作为强化相， 形成共晶纤维强化的自生复合材料。 4 定向凝固条件下，随着凝固速率的增加，无论亚共晶合金或过共晶合金， 一次枝晶间距减小，二次枝晶生长得到不同程度的抑制。 5 实验条件下定向凝固c u c r 合金的抗拉强度明显高于铸态c u c r 合金，扫 描电镜( s e m ) 断口表明定向凝固c u c r 合金断口滑移系多于铸态c u c r 合金。 6 通过对初生b 相( c r ) 相析出机制的初步分析和探讨，认为由于熔体局部 的溶质和热流波动，初生p 相的生长形态有花瓣状或三棱形。由此可见，初生p 相在其长大过程中，定向效果不明显，这将影响q 相和共晶体的形貌和分布，不 利于获得具有纯c r 纤维强化相。 关键词：定向凝固，共晶自生复合材料，c u - c r 合金，共晶纤维 p h mt h e s i so fn o r t h w e s t e r np o l y t e c n i c a li j n i v e r s i t y a b s t i 矾c t d i r e c t i o n a ls o l i d i f i e dc u c ri n s i t uc o m p o s it e sh a v eh i g hs t r e n g t h ， h i g he l e c t r i c i t yb u tw i t h o u ts u c hp r o b l e m so fi n t e r f a c i a lc o n t a m i n a t i o n a n dl o ws t a b il i t ya si nt h ec o n v e n t i o n a lm a n m a d es y n t h e t jcc o m p o s i t e s d u et os e l f - d r i v e ne n g e n d e ri nt h ep r o c e s so fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ， s ot h i sc o m p o s i t e sa r ee x p e c t e dt ob eu s e da sc o n t a c tc a b l e ，w h i c hi sm a d e f o rt r u n kl i n ee l e c t r i f i c a t i o n w i t ht h eb a c k g r o u n do fu s ei nc o n t a c t c a b l e ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sc u c ra l l o y sa ss t u d i e ds u b j e c t ，a n df r o m t h et w ow a y so fs o l i d i f i e dp r o c e s sa n ds o l i d i f i c a t i o nm e c h a n i c s ，t h e s t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o na n dt h eb e h a v eo fs e p a r a t e d o u ts t r e n g t h e n e d e l e m e n t sa r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d y u n d e rt h e p r o c e s s o fd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n t h em a i ns u b j e c t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ak i n do fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ne q u i p m e n to fh i g ht e m p e r a t u r e g r a d i e n ta n dd o u b l e z o n eh e a t i n gi ss e l f m a d e t h ea d v a n c e dd o u b l e z o n e h e a t i n gt e c h n o l o g yi s u s e di nt h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nf u r n a c e ， w h i c hs t a b i l i z e sc o m p o n e n t sa n dd e c r e a s e st h b u r n o u to fa l l o y s f o rt h e p u r p o s e o f h i g ht e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，l i q u i d m e t a l c o o l i n g w i t h c i r c u l a t o r yw a t e rc o o l i n gi su s e dd i r e c t l yt oc o o lt h es a m p l e ，a n da tt h e s a m et i m e ，r a d i a t i o nb a f f l ew i t ha p p r o p r i a t es i z ea n ds h a p ei sn e e d e d p u l l i n gv e l o c i t yc a nb ec o n t i n u o u s l ya d j u s t e dw i t h i nv e r yb i g1 i m i t sa t ( 0 2 - - 8 5 0 “m s ) ，a n dd u r i n gt h ep r o c e s so fp u l l i n g ，t h er u no fs y s t e mi s n o to n l yb a l a n c e d ，r e l i a b l e ，b u tn on o i s ep o l l u t i o na f t e rl o n gt i m ea n d w i t h o u tt h ep h e n o m e n ao ft h ec r a w l i n ga n dw o r m i n gu n d e r1 0 wp u l l i n g v e l o c i t y a n o t h e ri m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ee q u i p m e n ti sw i t ht h e f u n c t i o no fl i q u i dq u e n c h i n g 2 t h eg r o w t hm o r p h o l o g yo fc u c re u t e c t i ca r es t u d i e d d u r i n gt h e p r o c e s so fe u t e c t i cg r o w t h ，( + b ) g r o w t hi sc 1i n g i n gt o0 【p h a s e b e c a u s e c u c re u t e c t i ch a v ev e r yg o o dc o u p t i n gr e l a t i o n t h ec o n f i g u r a t i o no f e u t e c t i ch o l d s c r y s t a l l o g r a p h ys t r u c t u r e ，a n d t h ei n f l u e n c eo ft h e d i r e c t i o no fh e a tf l o wi sn o td i s t i n c t 3 f o rt h ec o m p o n e n to fs u b e u t e e t i c ，t h ec u c ra l l o y sa r ed i f f i c u l t t of o r mc o m p l e t ee u t e c t i ct i s s u eo nt h ec o n d it i o n o fn o ne q u i l i b r i u m p hmt h e s i s0 fn o r t h w e s t e r np o l y t e c n 吼lu n l v e r s i t y s o l i d i f i e a t i o n t h eg e n e r a lm i c r o s t r u c t u r ei so fc e l l u l a rp r i m a r ya ( c u ) a n dc i r c u m f e r e n c e d is t r i b u t e de u t e c t i c ( d + 8 ) w h e r et h ef o r m e rm a i n l ya c t s a st h ec o n d u c t o ra n dt h el a t t e ra st h er e i n f o r c e 。t o g e t h e rt ob ef i b r o u s e u t e c t i cr e i n f o r c e di n - s i t uc o m p o s i t e s 4 u n d e rt h ed i r e c t i o n a ls o l i d i f i e a t i o n ，e i t h e rs u b o r h y p e r e u t e c t i ca l l o y s ，w i t ht h ei n c r e a s eo fg r o w t hr a t e ，t h el “d e n d r i t i c a r ms p a c i n gd e c r e a s e sa n d2 “d e n d r i t i ca r ms p a c i n gi sr e s t r a i n e dt os o m e e x t e n t 5 u n d e rt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nc u c ra l l o yi sm a r k e d l yh i g h e rt h a nt h e c a s t i n gc u c ra l l o y a n dt h ea n a l y s i so fr u p t u r ep a r to ns e ms h o w st h e g l i d i n gs e r i e so fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nc u c ra l l o yi sm o r et h a nt h e c a s t i n gc u c ra l l o y 6 t h r o u g ha n a l y s i sa n dd i s c u s so ft h ep r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s mo f c r p h a s e ，i tc a nb ed e d u c e dt h a tp r i m a r y8 ( c r ) p h a s ee x h i b i t sp e t a ls h a p e o rt r i a n g u l a rd u et os o l u t ea n dh e a tf l o wi nl o c a lf l u i d t h i ss h o w s ，o n t h ec o u r s eo fg r o w t h ，t h ed i r e c t i o n a la b i l i t yo ft h ep r i m a r yb ( c r ) p h a s e i sn o tm a n i f e s t ，a n dm u s ti n f l u e n c et h em o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no f t h e p h a s ea n de u t e c t i c ，g r a v e l yb r e a c ht h ec o n t i n u i t yo ft h eb a s e s o ， i ti sa d v e r s et om a k eh i g h l yp u r i t yd ( c r ) p h a s e k e yw o r d s ：d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ，i n s i t uc o m p o s i t e s ，c u c ra 1 l o y s f ib r o u ss t r e n g t h 西北t 业大学碗：i ：学位论文一第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 文献综述 当前以材料、信息和能源为现代社会的三大支柱中，材料是后两者的基础。 综观人类利用材料的历史，也可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用， 都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生 活带来巨大的变化。 定向凝固自生复合材料就是运用凝固理论和技术所开发出来的一类重要的 新材料。本章概述了其发展历史、制各技术及应用。 1 1 1 共晶自生复合材料及其发展 用作复合材料的定向凝固共晶是通过前人的不断研究发展起来的。在十九世 纪中期，有用h o n a c i 混合物在进行实验时发现，两种材料在一定比例时将出现 最低熔点“1 。但当时一般认为，这种特异性和整数原子比有关。共晶这个词可以 追溯到1 8 6 4 年。当时g u t h r i e 。1 根据亚里士多德观点把整个一类低熔点混合物命 名为“e u t e c t i c ”一这是一个近义词，虽然他本人宁愿取名为“半石质合金”。 1 9 0 8 年，t a m a n n 。1 提出一种匹配( f l i p p f l o p p ) 机制，用来说明共晶长大。这 种假设直到最近还被引用，但被证明是错误的。直到1 9 1 2 年，由v o g e l 首次对 耦合长大提出了正确解释。应当指出，第一批定向凝固共晶是在1 9 3 5 年才出现 的“1 。随后又有一些科学家“3 对历史发展做了总结。目前许多高校和研究所里的 实验室正致力于充分利用这类材料的研究工作“3 。既研究有关力学、电学、磁学 和光学应用的性能，也研究新工艺。除许多新合金外，对已知的和非定向形式广 泛应用的合金，如f e c ( 铸铁) 、a 1 一s i ( 硅铝明) p b - s n ( 钎焊锡) 等也在继续 研究和改进。 自生复合材料是伴随着凝固技术手段的提高才出现的。1 9 5 2 年w i n g a r d ”3 首先提出了共晶合金的单向凝固，1 9 6 0 年，此技术被应用于制备复合材料，随 后l e m k e y 和k r a f t ”发现从单向凝固的c u c r 合金中提取的c r 纤维具有晶须的 性质，其强度和断裂延伸率均很好，此后，人们对二元和三元系统的单向凝固方 面的工作产生了越来越大的兴趣。研究表明：单向凝固的共晶组织中具有许多重 要特征：强度大大优于一般铸造合金，由于两相有良好的结合，在接近共晶熔点 的高温下，仍能保留高的强度和良好的抗疲劳性能。实际上不仅限于共晶成分的 合金，偏离共晶成分的合金和有胞晶或偏晶等转变反应的合金都能定向凝固生长 西北丁业人学硕士学位论文一第一章绪论 出规则排列的增强纤维，但它们的凝固条件苛刻的多。这是共晶自生复合材料的 优点，其缺点在于体积分数和合金成分不能完全任意选择。 有很多关于自生复合材料的说法，具有片层状凝固组织的材料。1 、通过共析 分解或不连续分解等所形成的规则排列组织的材料。1 、以及反应合成复合材料 1 、甚至通过塑性变形而形成的规则排列组织的材料“”1 等通称为自生复合材 料。无论如何，与传统的人工复合材料( s y n t h e t i cc o m p o s i t e ) 不同，这些材 料中不存在界面润湿、界面污染以及材料稳定性差等人工复合材料中常常存在的 问题。但自k r a f t 。1 提出用定向凝固方法制各自生复合材料的建议后，该方法就 一直是人们研究的主要内容，所研究的相组成系统已经包括共晶、包晶、共析、 包析体系。许多年来，人们在凝固基本理论，多相合金的性能以及特殊用途自生 复合材料的工艺技术等方面已经作了广泛的研究，而且有关复合材料物理性能 ( 包括电性能、磁性能和光性能) 的某些研究已经获得工业应用“3 “1 。 共晶自生复合材料是共晶合金或偏晶合金采取定向凝固的方法，通过合理控 制工艺参数，使基体和增强相均匀相间，定向整齐排列，第二相在定向凝固时相 变过程中析出的。二元共晶是用于生产自生复合材料的最基本体系。人们以二元 共晶为研究对象，在凝固理论及共晶性能方面进行了大量的研究，发现共晶形态 的规则程度对其力学性能有非常明显的影响，例如在a 卜s i 和f e c ( 铸铁) 共 晶合金中，通过变质处理改变共晶生长形态可使合金的力学性能有明显的提高； 当需要控制相的排列方向以得到自生复合材料时，共晶形态的规则程度就变得更 为重要，例如定向排列t a c 纤维n i t a c 共晶台金中使合金的蠕变强度有明显的 提高。共晶形态的规则程度与初生相形态、形核规律、相结晶学取向关系及工艺 都会有非常密切的关系，粗大的初始相往往破坏了基体的连续性，导致力学性能 变坏；相结晶学关系是决定能否得到理想自生复合材料的最关键因素之一，例如 f e c 合金由于相界面结构相差甚远而很难制得理想的自生复合材料；在某些情 况下，通过工艺控制还可得到偏离共晶成分的自生复合材料。因此，研究共晶在 定向凝固条件下的生长规律就显得非常重要。 1 1 2 定向共晶合金研究的基本原理 1 1 2 1 共晶生长及形态 1 共晶生长 在各类材料中都出现共晶复合材料。仅二元共晶就有上千种，如果将三元或 多元系中的准二元共晶、具有单变度共晶反应的多元合金、三元共晶和导致类似 复合物的许多非共晶反应也补算在内，则合金选择可能性就大大增加”。然而迄 今为止人们熟悉的共晶只有一百多种，常用的则仅几十种。“。根据组成相的结晶 西北工业人学硕? 学位论文一第一章绪论 学生长方式，共晶可分为规则共晶和非规则共晶。共晶形态的规整程度与初生相 形态，形核规律、相结晶学取向关系及工艺等都有密切的关系。常用的规则共晶 又可分为定向共晶和自由共晶两类。定向共晶是指组成共晶的两相沿特定的方向 耦合生长形成的一维共晶组织。与之相对应的是不受凝固条件约束的自由共晶， 自由共晶的两相是从一个结晶核心耦合地向四周生长形成共晶团。由于定向共晶 是通过控制共晶合金凝固的特性，得到的交替定向排列的两相组织，因而具有许 多重要的特性：高的强度、相问结合良好、高温稳定性好“7 ”1 ，可以用做高强高 导材料的研制。同时还可以利用其在磁阻效应、磁性、半导体等方面的优异性能， 制成一系列的功能共晶复合材料“2 “。 共晶合金需满足下列平衡条件： 熔体s = “相+ b 相 也就是说，两个各自相区别的相一起自熔体结晶。这既是共晶的优点，也是 其缺点。优点在于复合物的组织成分接近热力学平衡，且相界面结合较强( 低能 量) ；缺点在于体积分量和合金成分不能完全任意选择。其实，在偏离共晶成分 的一定区间内的合金，通过工艺控制也可能得到共晶组织。因而有必要研究偏离 共晶成分的合金在定向和非平衡凝固条件下的共晶生长规律。 2 共晶形态 早期的研究是简单地根据组织形貌来分类，s c h e i l 。”根据组织把共晶分为两 类：正常组织和非正常组织。所谓正常组织是指共晶结构为片层状或纤维状。片 层状和纤维状共晶属于耦合长大的组织，两相间均存在一定的结晶学关系，也就 是说它们是在凝固前沿共同长大，并且可以看作是在一个方向上无限延伸的组 织。非正常的共晶组织间无明显的结晶学关系，虽然其中的片状结构通常平行于 生长方向，不会有定向凝固时沿试样轴耦合的共晶组织的连续性。球状共晶可以 看成是变种，即长大不再以( 大约) 相同温度在共同的相界上进行，而是形成高 熔化熵的枝晶间相，并为准共晶组织。2 “。然而，这种简单从结晶学关系角度分 类的方法并不能准确地预测共晶组织的类型。 早期k a j a c k s o n 。”通过对单相合金的研究工作，分清了非小平面化和小平 面化，并从理论上证明了这两种界面的存在。他认为界面的平 臭i 结构应当是界 面能最低的结构，从而提出用界面结构因子a = e l 。k t 。来预测单一相的生长方 式，其中 为界面的晶体学因子，l m 是熔化潜热，k 是波尔茨曼常数 ( k 2 1 3 8 0 6 x 1 0 1 3 焦耳k 1 ) ，tm 是熔点。若c t 2 ，则形成光滑界面，以平面方 式生长，生长受形核率限制。h u n t & j a c k s o n 把共晶组织与共晶相生长的特点联 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 系起来，将小平面化和非小平面化的共晶组织分成三类。5 “： ( 1 ) 非小平面化非小平面化( n f n f ) 。每种相以原子级粗糙的界面生长， 并沿着垂直于固液界面的方向进行质量扩散，根据各相的相对体积百分量，可得 到规则排列的棒状相或片层相结构。 ( 2 ) 小平面化月 小平面化( f n f ) 。共晶组织为非规则形状，这些体系一般 含有较大体积百分含量的n f 相和较小含量的f 相。这是由于两相的生长方式不 同，保持等温的、平坦的凝固前沿非常困难，当固液界面变成曲面时，f 相的生 长方式便有明显的各向异性，严重破坏了组织的规则排列。 ( 3 ) 小平面化4 平面化( f f ) 。共晶由两个独立的相组成，因此不可能形 成复合材料所要求的规则组织。 相的形状( 片层状或纤维状) 以及相的微观取向基本上决定了组织，并从而 决定了性能。c u - c r 合金属于非小平面化月e 小平面化合金。对于非小平面化月 小平面化( n f j n f ) 合金的定向凝固，其共晶体是否呈片层状或纤维状凝固( 由于 片层向纤维形态的过渡往往是连续的，因此不是总能分清一种形态或另一种形态 之间的差异) 可以根据t 曲判据加以说明：具有最小长大过冷度的组织优先形 成。在纤维状和片层状组织中，形成b 界面所需要的过冷度，和界面及比界面 能的乘积成正比。“。因此，从纤维向片层状( 或反之) 的过渡，原则上是由两种 原因引起的： 通过0 【b 界面比例( 纤维和片层状组织之间的界面体积) 的变化； 通过纤维和片层状组织中仪，b 比界面能的变化。 纤维和片层状组织之间的一b 界面的比例，可用体积分量加以改变。在相间距保 持不变的情况下，增加d 相的体积可使纤维界面有抛物线形的增大，而片层状界 面却保持不变。对于c u c r 二元共晶而言，共晶体中b 相的体积分量约为o 8 。 根据这种纯粹几何学上的考虑可以认为，b 相的体积分量在2 8 以下的共晶体中， 纤维的界面比片层的界面小，因此优先形成纤维。 1 1 2 2 定向共晶生长 1 凝固界面稳定性 由于材料的组织对材料性能具有重要影响，而材料的组织结构由主要是由凝 固结晶过程中的固液界面形态所决定，凝固界面形态选择与演化便成为凝固过程 研究的核心。 固液界面形态是作用于固液界面的两个效应共同决定的。这两个效应是溶质 ( 或热流) 的扩散，它倾向于使形念的尺度缩小至极小值( 使曲率增大至极大值) ； 两北工业大学硕士学位论文一第一章绪论 另一个是界面张力效应，它倾向于使形态的尺度增大至极大值。实际观察到的结 晶形态是这两种倾向综合的结果，这可由形核、界面不稳定性、枝晶生长和共晶 生长证实。 固液界面一般可分为平面、胞状、树枝状三种，它实际上是固液界面稳定生 长和固液界面失去稳定后的生长结果，而对固液界面稳定性的理论描述则主要是 成分过冷理论1 。 2成分过冷理论 本世纪四十年代末期，加拿大著名物理冶金学家bc h a r m e r s 教授及其学生 通过观察金属自由表面的生长并采用倾倒法开始了对金属凝固形态的认真研究。 1 9 5 3 年，t i l l e r 和c h a r m e r s 等人发现合金凝固中固液界面前沿的溶质富集产生 的成分过冷是导致平界面失稳的根本原因，首次提出了成分过冷理论和界面稳定 性的概念，建立了标志现代凝固理论开端的成分过冷理论，其平界面临界稳定性 的成分过冷判别式为： g l ：m c o ( k o - 1 ) ( 1 1 ) y k d i ? 式中，g l 是液相温度梯度，v 是界面生长速度，m 是液相线斜率 成分，k 0 是平衡溶质分配系数，d l 是溶质在液相中的扩散系数。 据此可得到平界面稳定的临界生长速度： v c i g l d 矗l c 。是合金平均 ( 卜2 ) 式中，a t 。= m c 。( k o - 1 ) k 。，是合金平衡结晶温度间隔。 成分过冷理论( 或c s 理论) 显然存在一些不足，如只考虑温度梯度g 。和浓 度梯度g 。两个具有相反作用的因素对界面稳定性的影响，而没有考虑界面张力 对固液界面的稳定作用，以及固相和液相在热性质和扩散系数上的差异对固液界 面稳定性的影响，同时也由于没考虑晶体生长过程中运动着的固液界面出现干扰 的情况，因而也就无法预测固液界面失稳后扰动将发展成何种形态及尺度等问 题。但它作为固液界面稳定性的简单判据，使人们对胞晶和枝晶的形成得到了一 个初步解释。 3 定向共晶生长 固一液界面呈平界面是定向共晶自生复合材料生长的充分条件。而要获得完 全单向的共晶组织，凝固必须在平界面的条件下进行。平界面生长的条件”： g ，r t ，d 西北工业大学硕士学位论文一第一章绪论 式中g 表示凝固界面前沿的温度梯度，r 表示凝固速度，t 表示成分过冷，d 表示溶质扩散系数。 对于既定的共晶系来说，可以通过对凝固过程的工艺参数控制来实现，主要 取决于；固一液界面前沿的温度梯度g 。和凝固前沿向前推进的速度r ，影响共晶 复合材料组织形态和规整程度的还有杂质含量、固一液界面溶质的扩散和外界扰 动引起的凝固前沿的波动。 共晶合金固。液界面的稳定性与单相合金的情况有所不同。对于二元共晶合 金，在单向凝固时，生长着的相邻两相前沿液相成分的差异引起原子侧向扩散比 较容易，溶质富集程度远较单相合金小，成分过冷也小。所以对于二元系的规则 共晶( 非小平面非小平面) 来说，在g ，。 0 时，就可以较容易的得到定向排列的 共晶复合材料组织。根据平界面生长的条件，选取的合金成分c o 远离共晶成分 时，由于( c e c o ) 值增大，为了获得稳定的共晶组织，定性理解为所需g # r 的数值更大。所以，当相成分为共晶点时，液固界面前沿溶质富集程度最低，此 时不易产生成分过冷，共晶体易于形成一致的定向组织；当偏离共晶点时，若 g r 小于临界值，由于成分富集导致的成分过冷，易于形成胞晶或枝晶组织；在 胞晶或枝晶结构的中心，共晶组织不受影响，但在偏离组织中心的地方，共晶相 朝两边弯曲，结果得到集群式或网状的显微结构。 共晶体的相间距，在g r 超过临界值的情况下可通过改变凝固速率来控制。 凝固速率越高，界面前沿的扩散时间和扩散路程就越短，因此形成的相间距就越 小。”大多数共晶体系的相间距九都符合r = a ”2 的关系，而复合材料的强度a 随相间距减小而增大，有 6 时，冷拉纤维的宽度和间距都小于1 岬，继续增大拉应力，纤 维c r 相达到变形极限后发生纤维断裂。这里所指拉应力r l = l n ( a o a ) ，a o 和a 分 别是冷拉前、后的横截面积。 图卜2c u 一1 5 m a s s 9 6 c r 自生复合材料热 锻和固溶处理后的金相组织 图卜3c u 一1 5 m a s s c r 自生复台 材料冷拉后的会相组织 同时，冷拉后的试样其抗拉强度有明 f】 显的增加。从图( 卜4 ) 可以看出，在拉应! m z 1 淼? 翥装兰蒜力鬻誉慧7j速增加，然后随着拉应力的增加缓慢升高。 lf 二7 7 因此，对铜基复合材料进行大塑性变形， “l 一三嚣1 使台金元素的枝晶结构转变为纤维结构， 。l 是可以得到纤维增强自生复合材料的。 o r a v ”“1 该法制各c u 一1 5 m a s s c r 自生复合材 图卜4 抗拉强度o 。与拉应力”的关系 料的主要优点为： ( 1 ) 增强体是在材料加工过程中形成的，不同于玻璃、碳纤等在加工前就 已经以纤维方式存在，因而与基体有良好的乔面相容性，其强度与传统人工复合 材料相比有大幅度提高，同时保持较好的塑性和良好的高温性能； ( 2 ) 由于纤维的单向排列，当电流方 。 向与纤维排列方向一致时，可有效地提高 ，。一n “ 材料的导电率；纤维在凝固过程中自动形 耋z 2 0 0 一铂一“ 成，无人工复合时的界面润湿及化学反应 差t o o o 、“一。 等问题，提高了材料的完整性； 嚣s 。o c u - f 。c ( 3 ) 在进行拉制过程中，溶质元素的1 形貌基本保持不变，易于和其它强化手段 ” 6 导。强。0 0 ” ( 如：沉淀强化、时效强化等) 结合，以实图卜5c u - x ( t 。，n b ，c 。f e ) 的极限 现强度的进一步提高。通过图( 4 4 ) 可以 抗拉强度及电导秽。 西北1 二业大学硕士学位论文一第一章绪论 看出，添加微量元素s n 可以进一步提高材料的强度。 ( 4 ) 由于该工艺对设备的要求低，而且可以实现大横截面材料的拉拔，易 与连铸连轧技术相结合，适合进行大批量的生产。 但是其缺点也是很明显的： ( 1 ) 从工艺流程图可以知道，在该工艺下要得到最终型材，需经过多种工 序，人力资源增多；而且经过如此繁多的工序后，很难保证材料强度的均一性。 ( 2 ) 不难看出，由于这类材料在制备过程中存在着形变度很大的塑性变形， 在铜基体内必然造成大量晶格缺陷，同时变形过程中存在的高强度第二相进一步 加剧了这种缺陷的产生，使其高强度和高导电率在实际上很难同时满足。图( 卜5 ) 说明了这一问题，大塑性变形使其导电率相对降低。 再加上强度和导电率之间本来固有的矛盾，强度高则导电率低，所以此种工 艺下的材料大多应用在强度要求很高，而导电性要求低的场合。 2 定向凝固法 另一种制备c u c r 自生复合材料的方法是定向凝固法，利用该凝固技术手段 使c r 纤维原位生长，不用加入第三组元，而采用强制一维散热使凝固过程沿温 度梯度方向定向进行，获得两相交替排列的定向凝固组织，其目的是尽可能简单、 节约、高效的获得具有预期凝固组织的优质制品。 定向凝固c u - c r 自生复合材料在高强度高导电性铜合金材料的制备方面，具 有以下优点： ( 1 ) 均匀、定向排列的第二相纤维使第二相的强化作用得到最大发挥；第 二相是在凝固过程中自动析出，两相界面结合得很好，这样当载荷作用于复合材 料的结构整体时，有利于通过基体经纤维及界面传递到纤维上；而且两相是在高 温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，界面处于低界面能状态，因而具有良好 的热稳定性。因此自生复合材料机械性能高。 ( 2 ) 自生复合材料电导率具有各向异性，当电流方向与纤维排列方向一致 时，可有效地增加材料的电导率：纤维在凝固过程中自动形成，避免了大塑性变 形对导电性能的不良影响；而且自生复合材料无人工复合材料中常常存在的诸如 复合技术、界面润湿、化学反应或相容性等不足，提高了材料的完整性，这些都 减小了铜电导率降低的程度。 ( 3 ) 纤维分布较均匀，不会造成人工结合时的污染和损伤等。 ( 4 ) 特别提到的是无须使用价格昂贵的纤维，因而具有独特的优越性。并 且定向凝固方法易于与连续铸造相结合，可大幅度降低铜合金材料的生产成本， 西北丁业大学硕士学位论文一第一章绪论 特别适于如各种电线电缆铜材的制造。 温宏权等人“7 1 ”研究了亚共晶c u c r 合金非平衡条件下的定向凝固特性，但 凝固条件对组织形态的影响、强化相的形成机理等凝固方面的研究还需深入探 讨。 1 2 2c u - c r 自生复合材料研究中存在的问题 1 影响组织的工艺参数有很多 影响组织的工艺参数主要有g 、r 和合金成分。对于确定的定向凝固设备，g 的变化不大，因此，对组织影响起主要作用的因素是r 和合金成分。而此前对于 c u c r 合金的研究实际上只限于亚共晶成分，关于c u - c r 过共晶组织的研究鲜有 报道。另外，即使有研究凝固速率对组织的影响，其抽拉速率的选取也只在低速 范围内，并没有很全面的在大的抽拉速率范围内研究。 2 强化相的析出机制有待于进一步探讨 众所周知，纤维强化是金属材料迄今为止最为有效的强化方法之一。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，向纤维传递 受载时应力及在部分纤维断裂时承担局部载荷的作用，材料强度主要取决于纤维 相的强度及体积分数。在c u c r 自生复合材料的研究中，强化相的析出机理探讨 很少，而关于第二组元c r 的析出机制就更是未见章著。 然而，由于自生复合材料的两个组成相都是在相变过程中自动生成的，虽然 工艺参数的控制也并不简单，却可避免人工复合材料制备中所遇到的例如污染， 润湿，化学反应等问题，这对于改善铜合金的机械性能和导电性能有着重要的意 义。因此，可以预见在制备高强度高导电性能铜合金方面，自生复合材料是一种 更经济，更有发展前景的新材料。 1 3 本课题选题背景及研究思路 课题来源于项目“c u c r 合金高强度电车线研究”。 电车线，又称接触线( c o n t a c tc a b l e ) ，是电气化铁路、工矿电机车等用滑 接馈电线的总称。自7 0 年代以来，电气化铁路发展十分迅速。特别是近年来， 高速铁路运输取得了令人瞩目的进步，现今列车速度达3 0 0 k m h 。法铁t g v 在1 9 9 0 年速度达5 1 5 k m h ，成为今天的世界纪录。随着电气化铁路运行向中、高速发 展，首先要求加大接触线的悬挂张力，提高接触网的稳定性、波动传播速度，改 善机车受流质量，因此要求接触线在具有良好导电性的同时，还应有高的机械强 度。 西北工业大学硕士学位论文一第一章绪论 在接触线材的使用上，国外主要采用的电车线是铜及铜合金电车线。铜合金 的使用中有银铜、锡银铜、锡铜、镉铜、铬锆铜和镁铜等。其中，银铜合金的使 用在德国已经通过了试验，并用于投产，其标准也得到了国际上的认可。这是因 为在铜中加入合金元素后，除银元素外，会使导电率降低，通常为6 0 - - 7 5 i a c s 。 只有含银的a g c u 导线其导电率与纯铜相近，可以达到9 7 i a c s 以上。目前，国 内铁路的铜电车线大多是纯度较高的纯铜导线，它是一种在拉拔成形后不经过退 火处理就直接使用的硬铜电车线，其强化仅靠冷作硬化来实现。这种导线虽然导 电率很高，但因其单纯依靠冷作硬化来提高强度，效果往往有限，使得这类电车 线强度不高。而且，随着时间的推移，由于自然时效作用的影响，其力学强度将 会逐渐减小，特别在大载荷电流通过时产生的热效应作用下，强度衰减更加显著。 我国目前电力线路每1 0 年全部更换，每年还必须进行检修，因线路有效运行率 降低造成整体运输效率降低所造成的损失是很大的。因此，为适应我国高速电气 化铁道的需要，研制开发具有高导高强的铜合金接触网系统，将在降低运输成本， 提高运输效率，节约开支等方面为我国高速电气化的发展做出贡献。”1 。 本文以接触导线c u c r 自生复合材料为研究对象，依据共晶共生生长原理， 提出运用定向凝固技术控制c u c r 自生复合材料的凝固过程，使铜基体和强化相 在凝固过程中形成定向、相间、整齐排列的自生复合材料，从而充分发挥铜基体 的高导电性和纤维状第二相的强化作用，达到综合提高接触导线用材性能的目 的。 本文采用l m c 高梯度定向凝固设备，通过合理选择合金成分，开展对c u c r 自生复合材料的研究。通过控制定向凝固参数，稳定凝固界面，考察凝固试样的 界面形态、组织特征，对其自生生长工艺、定向凝固组织演化、强化相析出机制 进行探讨和研究，以期揭示出其凝固规律，并对复合材料的力学、电学性能进行 测试，考察凝固过程控制、凝固组织、性能之间的关系。 登j ! 三、业盔兰坚兰竺竺三= 苎= 耋笪丝 参考文献 1 r u d o r f f f ( 1 8 6 4 ) ：p g g a n n p h y s c h e n 1 2 2 ，2 ，3 3 7 2 6 u t h r i e f ( 1 8 6 4 ) ：p h i l m a g ，s e t 5 1 7 ，4 6 2 3 t a m m a n s 6 ( i 9 0 8 ) ：l e h r b u c hd e rm e t a l l o g r a p h i e 4 s t r a u m a n i s ，m ：b r a k s s ，n( 1 9 3 5 ) ：zp h y s c h e n b3 0 ，i1 7 5 k e r r ，h w ：w i n e g a r d ，w c ( 1 9 6 6 ) ：j m e t a l s 5 6 3 6 a g a r d ，r e p n o 6 0 9 ( 1 9 7 3 ) ：d i r e c t o r yo fr e s e a r c ha c t i v i t i e so i l i n - s i t uc o m p o s i t e ，b a t t e l l e c o l u m b u 品u s a 7 】w w i n e g a r d ，e ta l , c a n j = c h e m 。2 9 b ( 1 9 5 i ) ，3 2 0 8 k r a f trw u sp a t e n tn o 3 1 2 9 9 5 2 ，1 9 6 0 9 蒋建清，舒光冀，马爱斌，榭构0 轳学与：工器1 ，1 l ( 1 9 9 3 ) 3 8 - 4 2 t o 陈陡( 译) 材群导担，2 ，1 9 9 2 ，7 1 7 4 1 1 ls c h u m b l e ya n df c l a a b s ，s c i p t am e t a l m a t e r ，2 5 ( 1 9 9 1 ) ，2 0 9 7 2 1 0 1 1 2 d a h a r d w i c k ，e ta l ，m e t a l l t r a n s 2 4 a ( 1 9 9 3 ) ，2 7 3 4 l 3 a l b e r sw p r o cc o n fi ns i t uc o m p o s i t e si ，m a t e r i a l sa d v i s o r yb o a r dp u b l i c a t i o n 3 0 8 - 皿w a s h i n g t o n d c 1 9 7 3 1 4 w e i s sh p r o cc o n f i ns i t uc o m p o s i t e si i 。x e r o x i n d i v i d u a l i z e d p u b l i s m n 品l e x i n g t o n , m a s s 1 9 7 6 1 5 w 库兹，p r 萨