（材料加工工程专业论文）形变cu14fe原位复合材料研究.pdf

摘要 摘要 形变c u f e 原位复合材料以其价格低廉，具备成为高强高导材料 的潜力，深受研究者的关注。然而f e 原子对机体的导电性能产生较 大的损害一直是制约该种材料应用的瓶颈。本文选取c u 1 4 f e 系材料 为研究对象，制备了c u 1 4 f e 、c u 1 4 f e 0 1 a g 、c u 1 4 f e 。0 1 p 以及 c u 1 4 f e 0 1 a g 0 1 p 四种材料。通过光学显微镜、扫描电镜、透射电 镜、x 射线分析仪、拉伸试验、电阻率测量等实验手段，获取了材料 所需的成分、结构、组织、性能数据，探索了合金元素a g 、p 在材 料熔炼、变形过程中的影响规律，对形变c u 1 4 f e 系原位复合材料在 多种时效处理方式下的时效工艺及组织、性能变化进行了研究，制备 了具有优良综合性能的多组材料，取得以下主要结果： ( 1 ) c u 1 4 f e 合金经室温变形后，f e 相由铸态的树枝状变成纤维状 组织。随形变量增加，纤维尺寸及纤维间距逐渐减小，材料极限抗拉 强度及电阻率均增加。添加微量a g 后，材料强度及电导率均有提高。 添加微量p 后，材料强度及电导率略有提高，但效果不及添加a g 。 ( 2 ) 用h a l l 法对c u 1 4 f e 中c u 基体和f e 纤维微观应变分析中发 现，c u 基体和f e 纤维存在较大的微观应变，且c u 基体和f e 纤维均 受到压应变。在对c u 1 4 f e 界面强化机制分析与计算中发现，纤维间 距旯与应变量刁存在指数关系( z = 2 8 1 7 4 e x p ( 一0 3 4 1 0 4 3 r ) ) ，极限抗拉强 度( u t s ) 与万“2 存在线性关系( 叽= 9 0 0 8 + 9 4 0 6 7 2 , - “2 ) 。 ( 3 ) 通过冷轧+ 冷拔形变工艺加工制备的形变c u 1 4 f e 系原复合材 料的综合性能要优于冷拔形变工艺制备的相应材料的综合性能。 ( 4 ) 形变原位复合c u 一1 4 f e 系材料在等温时效1 h 后综合性能最佳。 形变量为n = 8 的c u 1 4 f e 0 1 a g 经过时效调控，可以获得强度电导 率为7 7 0 m p a j 6 3 7 5 i a c s 和9 2 0 m p a 5 6 4 4 i a c s 的优化性能组合。 ( 5 ) 材料在强磁场下进行时效中，随着外加磁场强度的加大，电导 率明显提高，且材料在强磁场下时效的强度要大于在同一保温温度和 时间下时效的强度。 关键词：c u f e ，原位复合材料，a g ，p ，时效，强度，电导率 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e f o r m a t i o n p r o c e s s e d c u - f ei ns i t u c o m p o s i t e s h a v eb e e n c o n c e m e df o ral o n gt i m ed u et ot h e i rl o w p r i c ea n d t h e i rp o t e n t i a lv a l u e o fh i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o n d u c t i v i t y h o w e v e r , t h e yh a v en o tb e e n w i d e l yu s e db e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r l yh a r m f u le f f e c to f t h ed i s s o l v e df e o nt h ec o n d u c t i v i t yo fc um a t r i x i nt h i st h e s i s ，c u 一14 f e ，c u - 14 f e - 0 1a g ， c u 一1 4 f e - 0 1 pa n dc u - 1 4 f e 一0 1 a g o 1 pw e r ep r e p a r e d t h ed a t ao f c o m p o n e n t s ，s t r u c t u r e ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e db y o p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y , x - r a yd i f f r a c t i o n ，t e n s i l et e s ta n dr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t t h ep a t t e mo fb e h a v i o ro ft h em a t e r i a ls t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sc h a n g e so f a d d i n gt h ea l l o y i n ge l e m e n t sa g ，pa n d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n p r o p e r t i e s a n da g i n gt i m e ，a g i n gt e m p e r a t u r e ，e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dc h a n g e sw a s s t u d i e d m e a n w h i l ei tc a nb eo b t a i n e dc o m b i n a t i o no fp r o p e rv a l u eo f s t r e n g t ha n dc o n d u c t i v i t yb ya p p r o p r i a t ei s o c h r o n a la g i n gt r e a t m e n t t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w nf r o mt h i si n v e s t i g a t i o n ： ( 1 ) w i t ht h ed e n d r i t i cf ep h a s ec h a n g i n gt of i l a m e n t ，t h ev a l u e so f u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n dr e s i s t a n c eo fc u - 14 f ea r eb o t hi n c r e a s e d t h e p r o p e r t i e so fc u 一1 4 f e 一0 1a ga r eb e r e rt h a nt h eo n eo fc u 一14 f e 一0 1p , w h o s e p r o p e r t i e si sb e t t e rt h a nt h eo n eo f c u - 1 4 f e ( 2 ) t h ea n a l y s i s o fm i c r o s t r a i no fc um a t r i xa n df ef i l a m e n ti n c u 一14 f eu s i n gh a l lm e t h o dr e v e a l e dt h a tt h e r ei s l a r g ec o m p r e s s i v e m i c r o - s t r a i nb e t w e e nc um a t r i xa n df ef i l a m e n t i nt h ea n a l y s i s ，a e x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l a m e n ts p a c i n g 2 a n ds t r a i nr w a s o b t a i n e d ，t h a t i s 名= 2 8 1 7 4 e x p ( 一0 3 4 1 0 4 3 r ) m e a n w h i l e t h el i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e nu t sa n d万1 坨w a sa l s oo b t a i n e d ，t h a t i sc r 。= 9 0 0 8 + 9 4 0 6 7 2 - 1 他 ( 3 ) i tc a nb eo b t a i n e dg o o dp r o p e r t i e sw h e nt h ea l l o yd e f o r m a t i o n u s i n gt h em e t h o dc o l dr o l l i n gb e f o r ec o l dd r a w i n g ( 4 ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o n d u c t i v i t ya n ds t r e n g t ho f t h ea l l o y c o u l db eo b t a i n e dh i g h e rv a l u eb yi s o t h e r m a la g i n gf o rlha n dt h e s t r e n g t h c o n d u c t i v i t yo fc u 一1 4 f e - 0 1 a go b t a i n e d7 7 0 m p a 6 3 7 5 i a c s i i a n d9 2 0 m p a 5 6 4 4 i a c s ( 5 ) i nh i g hm a g n e t i cf i e l d ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fa t o m st r a n s i t i o n d e c r e a s e sa n dt h ea b i l i t yo fs p a n n i n gp o t e n t i a lb a r r i e ri n c r e a s e s ，w h i c h p r o m o t e st h ef ea t o m sp r e c i p i t a t i o na n dc o n d u c t i v i t ya n ds t r e n g t ho ft h e a l l o yc o u l db eo b t a i n e dh i g h e rv a l u e k e yw o r d s ：c u - f ea l l o y , i ns i t uc o m p o s i t e ，a g ；p ，a g i n g ，s t r e n g t h ， c o n d u c t i v i t y i i i 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 引言 第一章文献综述 铜是一种古老的金属。纵观中华民族5 0 0 0 多年的文明史，铜的发现与使用 是中国古代文明的重要组成部分。我国在龙山文化时期，已经能人工冶炼红铜和 铜合金，并掌握了铸造、锻造和退火工艺。1 7 8 4 年，铜加工的方式由作坊变成 了加工厂，随后在1 9 4 2 年，世界工业开始了铜板的生产，第二次世界大战后， 铜加工产品的生产开始取得了长足的发展。 铜由于其优良的导电性，被广泛应用于电力电子行业。然而我国是个铜资源 短缺的国家，国产精铜量的自给率不足5 0 ，每年均需进口大量的铜精矿。近年 来，我国铜消费量迅猛上升，1 9 9 0 年精铜消费量只有7 3 万吨，而2 0 0 4 年已猛 增到3 3 0 4 万吨，年均递增率达到1 1 4 。尤其是2 0 0 0 年以来，国内精铜消费量 平均递增率达到1 4 4 ，平均增长率是全球的2 4 倍。 研制和开发高强度高导电铜基导电材料一直是铜合金研究的热点之一。众所 周知，许多应用领域要求所使用材料既有高传导性又有较高强度。例如，为产生 高的脉冲磁场，要求所用导体材料不仅要有低的电阻率以降低热效应，同时还要 具有足够的强度来承受巨大的洛仑兹力【2 训，通常该类合金要求其强度大于 1g p a ，导电率大于5 0 6 0 i a c s 3 。5 1 。随着集成电路封装向高密度方向发展，超 大规模集成电路铜基引线框架材料理想的性能指标为：抗拉强度吼 6 0 0 m p a , 显微硬度h 。 1 8 0 ，导电率 8 0 i a c s ( 虱际退火铜标准) 旧j 。此外，高强度高导 电铜基导电材料还用于制造电阻焊电极、电车及火车架空导线、连铸结晶器内衬 及电气工程开关触桥等1 6 d 。 运用在高速列车上的架空导线，对材料的性能有着高的要求。其原因是高速 列车要求其最高行驶速度每小时达到或超过2 0 0 公里。世界上最早的高速列车为 日本的新干线列车，于1 9 6 4 年1 0 月1 日开通，最高时速每小时4 4 3 公里，运营 速度可达每小时2 7 0 公里或3 0 0 公里。此后，众多国家相继修建高速铁路，列车 运行速度也一再提高。截止目前为止，开通高速列车的国家有日、法、德、意、 英、俄、瑞典、中等国。其中法国的t g v 系列列车创下运营速度之最，1 9 9 3 年 其速度曾达到每小时5 1 5 公里。而为高速列车输送源源不断的电能的导线，由于 其使用的特殊性，对材料的强度、导电率、延展性等也有着高的要求。表1 1 为 国内外铜合金接触线的主要技术性能指标u 2 。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 表1 1 国内外铜合金接触线的主要技术性能指标【1 2 】 t a b l e1 1p r i m a r yp r o p e r t i e so fc o n t a c tw i r e sp r o d u c e di nd o m e s t i c sa n da b r o a d 材料合金成分( 质量分数，) 最小抗拉最小导电备注 一 塑廑型鳇奎丛坠g 墨 铜银接触线 c u - 0 1a g3 5 39 6 5 c t h a l ( t b t 2 8 2 1 2 1 9 9 7 ) 铜银锡接触线 铜镉接触线 铜铬锆接触线 铜银锆接触线 c u - 0 1a 空 c u - 0 1 2 a g c u - 0 1 a 卫 a g - s n - c u a g s n - 0 0 4 c u a g - 0 0 7 s n c u 10 7 c u c d c u - c d c u 1 o c d c u c d c 3 一c d f c u - c d ) c u - 0 7 c d c u 1 o c d c u 1 o c d c u - m g c u - 0 4 m g c u - 0 6 m g c u - 0 6 c r - 0 12 z r - 0 0 3 m g c u - 0 31c r - 0 0 7 z r - 0 0 2 s i c u - o 3 1 c r - o 0 7 z r - o 0 2 s i c u - 0 4 c r - 0 14 z r - o 0 6 s i c u c r - z r - c e c u - c r - z r c u - 0 1a g z r 3 6 7 3 6 9 4 1 0 3 6 8 3 7 6 4 0 9 4 3 9 4 5 7 4 0 0 4 4 0 4 3 1 4 1 3 4 3 4 4 2 5 4 9 0 4 5 5 5 0 0 5 8 6 5 5 5 6 0 9 5 6 7 6 4 2 6 2 0 5 8 0 9 6 5 9 7 0 9 7 0 9 0 0 8 5 5 9 0 o 8 4 o 8 0 o 9 0 o 9 0 o 9 2 8 8 6 2 8 0 2 8 2 6 6 8 。o 7 2 o 6 8 0 8 5 0 7 8 o 8 0 7 8 0 1 7 8 o 8 2 0 8 2 o r i s l 2 0 i n 4 31 4 1 ) ji s 3 6 5 1 2 2 3 f c t h b 1 2 1 2 0 ( t b t 2 8 2 1 2 1 9 9 ) c t h b 2 212 0 ( t b t 2 8 2 1 2 1 9 9 7 ) 中国专利，n o 9 3 1 1 7 1 1 3 10 7 2 c u c d 0 3 s 2 3 ) a l l o y 8 0f a s 肿9 1 c 1 6 2 0 0 ( c u - 2 1 o c d l n f c 3 4 2 8 0 0 n f c 3 4 2 1 1 0 d i n 4 3 1 4 1 d i n 4 3 1 4 1 r i k l 0 0 f d i n l7 6 6 6 ) r i m l 2 0 ( d i n e n 5 0 1 4 9 ) 半硬点3 8 5 半硬点3 8 5 时效强化 1 1 0 n 吼2 接触导线 o4l l 瑚圆截面c u - c r - z r 导 p h c 析出强化铜合金 为了达到高速铁路架空线的应用标准，必须使材料的强度和电导率都在一定 数值上。目前，高速电气化铁路对铜合金接触导线的技术要求是：抗拉强度ob 5 5 0m p a ；导电率p 7 5 i a c s 。然而，大量研究表明，铜合金的强度和导电 性能往往成反比的关系。通过增强其强度，反而牺牲了材料的的导电性，研究和 开发的高强度和高导电铜合金基本原则是：添加合金元素，使其在铜的溶解度过 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 饱和，此时强度增加，电导率急剧下降。材料经过时效后，过饱和固溶体成基体 中分解，沉淀的合金元素在铜基地大量析出，电导率迅速增加，由于沉淀强化作 用，材料的强度保持在一个较高的水平。 1 1 高强高导铜合金的设计思路与制备方法 目前高强度，高导电铜合金的设计主要有两种观点：一是，添加合金元素的 铜以适量提高强度，并确保添加的元素影响材料的电导率，二是引进第二强化相， 形成复合材料，达到高强度和高导电性。铜合金的极限抗拉强度( u t s ) 与电导 率往往成反比，高导电性常常意味着材料的强度一般偏低；强度高，却很难提高 导电性，添加的合金元素，都不同程度降低铜合金的导电性。因此必须采用特殊 的强化方式在保证材料高强度下，而不牺牲其高导电率。目前高强度和高导电铜 的制备方法一般分为合金化法和复合材料法两大类。 1 1 1 合金化法 向铜合金中加入合金元素，熔炼形成固溶体，在经过一定的加工或热处理后， 改变其组织和结构，以获得高强度和高导电的铜合金。其中固溶强化，沉淀强化， 冷变形和时效强化是合金化法的几种常用的强化方式。 1 1 1 1 固溶强化 形成溶强化铜合金元素一般有银、锡、铝、锰、镍、硅、锌等【1 3 1 。参照 m o t l r n a b b a r o 理论【1 4 】，对于固溶度较小的固溶体，屈服强度a 随溶质浓度 的变化关系可表示为： o = o o + 圮” ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：k 、m 为常数，由基体和合金元素的性质所决定；c 则为溶质原子所 占百分比；o r 、t y 。分别为混合后合金的屈服强度和纯金属屈服强度。 随着愈来愈多的溶质原子融入基体，材料的屈服应力急剧上升，固溶的原子 不但通过柯气气团钉扎位错，提高其强度，同时增加了对电子的散射作用使材料 的导电性下降。 添加的合金元素对铜合金导电性的影响一般来自铜基体固溶合金元素后，由 于溶质原子尺寸与铜原子不一致，导致晶格畸变。由于晶格畸变，使材料增加了 电子散射，这将导致铜合金的电导率下降。m a t h i e s s e n 定律【1 5 】表明，稀薄浓 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 度固溶体的电阻率可由如下表示： p = p o + c a p + k ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中：, c o 为溶剂即基体的电阻率，c 为溶质原子的浓度，a p 为1 溶质原 子产生的额外电阻率，k 为偏离参量，其与温度和溶质浓度有关。a g 、c d 、s n 等合金元素的加入对铜合金的导电性损害较小。文献【l5 】报道c u - 0 0 8 5 a g 合金 经冷变形后，极限抗拉强度( u t s ) 达到4 2 0 m p a ，导电率却能保持在10 0 i a c s 的水平。经过多次冷加工的c u ( 0 0 5 0 1 5 ) c d ，可达9 6 i a c s 的导电率，同时 保持较高的抗拉强度。然而对高强高导铜合金而言，开发的铜合金仅仅利用固溶 强化进行强化的例子不多，这是由于仅仅利用固溶强化效果不是很明显。比如由 日本日立电线公司研制的牌号为0 1 s n o f c 的c u 0 0 1 s n 导线【l 州。 对铜合金强度要求不高但要求高导电率一般采用固溶强化手段。但是通常制 备铜合金，采取固溶强化与时效强化两种强化手段共同使用。添加少量合金元素， 产生固溶强化，提高强度，但合金的电导率下降。材料经过时效处理后，固溶体 由于过饱和而分解，绝大部分固溶的合金元素以析出的方式，在基体中分散并形 成沉淀，沉淀物可以有效地防止晶界，位错运动，最终较大程度的提高材料的强 度。 1 1 1 2 沉淀强化 要产生沉淀强化的效果，就必须要求合金元素在铜基体中的溶解度伴随温度 降低而减小。目前，用来来产生沉淀强化的合金元素主要有c r 、b e 、f e 、z r 、 n b 等。如果要求产生固溶强化+ 沉淀强化两种强化效果，合金元素这必须满足如 下条件：首先该元素在铜中的固溶度在高温和低温下差别较大，主要使时效时出 现较多的强化相；其次要求合金元素在室温下在铜中的固溶度很小，从而保证基 体的高导电性。目前研制的这一类铜合金有c u c r 、c u - n i b e 、c u f e 、c u f e t i 、 c u z r 等系列1 7 之1 1 ，其中又以c u z r 、c u c r 系合金的研制最多，应用也最为普 遍。 材料在时效析出初期，析出物粒子尺寸半径较小。时效过程中，当析出的粒 子与基体呈共格关系时，位错与粒子以切割方式进行交互作用。依据f l e i s h e r 模型【2 御，由析出粒子引起的临界剪应力增量可由下式表示： 1 a 铲c g f 笪1 力 。 lb ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中：f 代表粒子所占的体积分数；r 则为粒子的半径；b 为b u r g e r s 矢量； 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 c 为常数( 通常为2 6 3 7 ) ；s 为位错配引起的应变；g 为剪切模量。 合金时效析出的中后期，伴随着析出物的不断变粗，铜基体与粒子的关系由 共格转化逐步转变为半共格或非共格。此时粒子与位错交互以绕过方式 ( o r o w a n 模型) 交互，其临界剪应力值可如下式计算： t 。 1 1 9 亩厂尼 ( 1 4 ) 式( 1 4 ) 中：t 表示位错线的线张力；r 代表粒子的半径；b 为b u r g e r s 矢量；f 为 粒子所占的体积分数。 由析出相所引起的晶格畸变，在时效强化铜合金中，不可忽略，也将对材料 导电性引发一定的影响。材料由第二相所析出引起的电导率的变化可由下式表征 【2 3 】 。= 。( 1 3 刀c + 3 刀2 c 2 ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中，0 - 。为铜基体中的电导率；0 则为铜合金的电导率；c 是第二析出相颗 粒所占体积百分数；o ，是第二析出相颗粒的电导率；n 的值可由式( 1 6 ) 计算而得。 刀0 0 _ 0 。，+ 。，) o 石 在通过时效来强化铜合金中，c r o 0 - ，c 8 以上【5 6 | 。 但高温下f e 在c u 基体中的固溶度相对高，低温下的扩散速度慢，导致室 温下c u 基体中固溶的f e 含量远远大于相平衡浓度，同时固溶f e 原子对基体电 导率的有害影响非常大，达到9 2 肛q c 删协f e 【，7 1 ，导致形变c u f e 的电导率通 常不足4 0 i a c s ，比相同方法下制备的c u - n b 低2 5 3 0 i a c s 。因此如何降低 f e 在c u 基体的固溶度，促进f e 从基体中析出，是该系合金研究的重点和热点。 目前针对上述研究难点，国内外学者采取的研究方法主要有两个，一是通过 加入其他合金元素来降低f e 的溶解度，目前国内外学者针对c u f e 系原位符合 材料的研究主要集中在c u - f e a g 、c u - f e c r 以及c u f e c o 系；二是通过合适的 形变热处理工艺促进f e 的析出。孙世清1 5 6 j 对形变c u f e c r 和c u f e c r z r n i 原 位复合材料进行了大量研究，认为c r 主要起强化f e 纤维的作用，对电导率改善 作用很小，并降低材料塑性变形能力。葛继平等【5 8 】在c u f e 中加入了少量z r 和 m g ，研究表明材料的强度略有提高，而电导率比c u f e 更低。h o n g 5 9 】等人在 c u f e 的基础上，研究了加入a g 等第三组元的作用，研究表明添加a g 能浸润 f e 元素，降低其界面能，使f e 形成细小树枝状组织，同时a g 溶于c u 基体中， 起到强化基体的效应，而纤维中没有发现a g 。高海燕【6 0 】通过在c u f e 材料中加入 a g ，降低了f e 在基体中的溶解度，同时由于a g 的电导率较c u 高，制备的 c u f e a g 系材料的u t s 可达到1 2 6 0 m p a ，电导率可达到6 3 8 i a c s 。 1 3 材料电磁过程技术 材料电磁过程过程技术简称e p m ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ) 是 当前对材料进行改性的研究热点之一。e p m 主要是指运用材料加工技术与磁流 体力学简称m h d ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 来改善材料的组织与性能。其方法 是，在材料制备和加工过运用电磁场效应对控制材料工艺过程。目前，e p m 已 形成多学科交叉，工艺手段较多及应用广泛的研究领域之一。1 8 2 3 年，法拉第 率先对在外加电磁场条件下流体中的流动情况进行测量。随后m u c k 在1 9 2 3 年申请并获得了运用悬浮法熔炼的专利。在a l f v e n 的贡献下，1 9 4 2 年磁流体 力学逐渐发展成为体系化的科学。但是，从二十世纪六十开始，m h d 理论的系 统发展及其原理才得以广泛应用。目前已经在研究电磁场与金属流体之间相互关 系的m h d 取得不错的发展。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 材料的电磁过程这一术语是在1 9 8 2 年在英国举行的i u t a m ( 国际力学理论 和应用联合会) 学术会议上第一次提出的。m h d 近十年来在冶金工业中得以广 泛应用。伴随着于九十年代在日本先后召开的第六届i i s s ( 国际钢铁研讨会) 会 议，以及材料电磁工艺工程国际第一届会议，人们开始正式迈入e p m 的新纪元。 近几年来，已经广泛应用于在有色金属和黑色金属的冶金过程领域感应加热、电 磁搅拌和电磁铸造等电磁过程已被广泛应用，并在许多方面取得了较多可喜的成 果。 当前，材料电磁过程技术m h d 使用的电磁场一般有如下几种：一是由传统 线圈产生的强度普通的直流磁场。该磁场主要对流动的金属液体的进行控制，例 如：作为电磁“大坝 对薄带连铸进行侧封以改善冶金质量，作为电磁制动，对 连铸结晶器内钢液的流动起到抑制作用，以及对中间包内钢液的紊流起到抑制作 用。第二种是由超导线圈产生的，比传统磁场强度要高的直流磁场。该磁场主同 样要应用于液体金属的流动进行控制。例如：控制液体金属的形核及生长等凝固 过程，以开发新材料；作为电磁制动抑制连铸，特别是高速连铸时结晶器内钢液 的流动。第三种是交流磁场。该电磁场是应用于材料加工过程中，最为普遍及广 泛的磁场之一，通过改变磁场频率，可在感应加热，电磁传输，电磁搅拌，电磁 加压等工艺过程中运用；它是控制液体金属传输的有效手段之一。还有其他特殊 磁场。例如：变幅电磁场，移动电磁场，脉冲电磁场等。这些磁场主要用于开发 高效节能新技术工艺。实际操作中，可以单独使用以上各种磁场；同时还可以在 材料加工过程运用几种磁场，或磁场和电场一并使用。 1 4 本论文研究意义及内容 1 4 1 研究目的及意义 本课题是江西省科学院应用物理所开放基金，并结合目前国内外电气化用高 强高导接触线的应用实际，尝试制备一种铜基原位复合材料。 由于本课题选用成本最低的c u - f e 系，具有很好的价格优势。因此研制的低 成本、高强度和电导率优化组合的形变c u f e 原位复合材料，可在需要高强度、 高耐磨、高导电性架空导线材料的高速电气化铁路和城市轨道交通等领域具有较 好的应用前景，且具有良好的社会和经济意义。 1 4 2 研究内容 1 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 通过前述发现形变c u f e 系原位复合材料在理论上具有良好的强度和导电 性能及成本低廉，它是一种极具发展潜力的材料，其研究开发的重点是如何解决 第二相纤维的粗大、分布不均以及固溶合金元素原子在铜基体中残留量过高等关 键问题。已有的研究主要采取中间热处理和多元合金化等途径来调控c u 合金的 强度和电导率。 本文基于对c u - 1 4 f e 、c u - 1 4 f e 0 1 a g 、c u 1 4 f e 0 1 p 以及c u 1 4 f e 0 1 a g 0 1 p 原位复合材料的铸态组织和变形组织的分析，通过研究各组原位复合材料的成分 一组织一性能三者之间的关系，尝试探索发现添加的合金元素a g 、p 在材料熔 炼、变形过程中对材料组织、性能改变的一般规律，同时对各种形变条件下的四 种材料进行多种方式时效，从研究和分析形变c u 1 4 f e 原位复合材料系的时效特 点出发，寻求合适的热处理工艺，以获得材料良好的强度和电导率的性能组合。 通过对材料进行等温时效、等时时效、磁场改善等热处理工艺，尝试获得材料时 效组织性能随时间、温度、外加磁场条件变化的一般规律。 中南大学硕士学位论文第二章试验材料及试验方法 2 1 试验材料 第二章试验材料及试验方法 本实验采用高纯无氧铜( 9 9 9 8 ，质量分数，下同) 线，化学生铁( 9 9 9 9 ) 粉 和化学银( 9 9 9 9 ) 粒以及中间合金c u - 3 f e 1 p 为原料，放入石墨坩埚，感应熔化。 将原料按设计的名义成分配制好，放入石墨坩埚，感应熔化，浇铸，得到直径约 3 3 m m 的圆柱形铸棒。 取铸棒圆形截片，使用i r i s a d v a n g t a g c1 0 0 0 型电感耦合等离子光谱仪( i c p ) 结合化学分析法在上取样进行成分分析。分析结果如表2 1 ，两种合金的成分与 配制成分基本一致，后续试验测量、分析以及讨论均以c u 1 4 f e 、c u 1 4 f e 0 1 a g 、 c u - 1 4 f e 0 1 p 及c u 1 4 f e 0 1 p 0 1 a g 简记。 表2 1 母合金的测量成分 t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ea s - c a s ti n g o t s 2 2 技术路线 四种不同合金的锭坯经固溶处理后，通过两种不同的工艺手段( 以下简称工 艺一以及工艺二) ，经过多次变形及中间处理得到直径o 5 m m 至3 3 m m 不等f 形 变量为r l = 4 ，6 ，7 ，8 ) 的多组试样。随后对形变量为r 1 _ 4 ，6 ，7 ，8 的各组合金试样在3 0 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 均保温1 h ，并对性能较优组在恒定温 度下保温1 h 、2 h 、4 h 、6 h 直至8 h ( 具体时效方法见后续章节) 。试验过程中， 每个阶段都进行取样，分别对其金相组织、相、界面、成分、强度、硬度、电导 1 4 中南大学硕士学位论文第二章试验材料及试验方法 率等进行金相分析及组织分析、材料力学性能分析以及材料导电性能分析。具体 流程图见图2 1 。 图2 1 工艺路线示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o c e s sr o u t ei nt h et h e s i s 1 5 中南大学硕士学位论文 第二章试验材料及试验方法 2 3 固溶处理 由于浇铸过程，浇铸模及温度的影响，合金中的f e 、a g 以及p 元素不可避 免的形成偏析或者耗散；为了使后续的时效处理粒子能够充分的析出，必须对合 金铸棒进行固溶处理。本实验采取的工艺是在9 5 0 下保温3 h ，随后炉冷至室温， 使合金的f e 、a g 以及p 元素充分的溶解于铜基体中。 2 4 形变工艺 图2 1 清晰地描述了合金铸棒冷变形过程，其中冷变形应变定义为：r l = l n ( a o a f ) ，其中a o 为初始截面面积，为变形后的截面面积。将固溶处理后的 合金铸棒进行扒氧化皮及表面加工，随后进行多道次变形。随后分两种工艺进行 加工，工艺一采取冷拔方式进行形变，工艺二采取冷轧方式进行形变。两种工艺 均在后续形变过程中采取了冷拔方式使其最终得到r l = 4 ，6 ，7 ，8 的线材。 2 5 等时时效 图2 2 实验材料 f i g 2 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sp r e p a r e d 本试验对形变量为r l = 4 ，6 ，8 的c u - 1 4 f e 、c u 一1 4 f e 一0 1 a g 、c u 一1 4 f e 一0 1 p 以及 c u 1 4 f e 0 1 a g 一0 1 p 原位复合材料试样在3 0 0 。c 、4 0 0 。c 、4 5 0 。c 、5 0 0 。c 、5 5 0 。c 、 6 0 0 。c 均保温1 h 。时效处理后空冷至室温。研究表明，c u f e 系合金在4 0 0 5 0 0 中南大学硕士学位论文 第二章试验材料及试验方法 范围内时效效果明显，故本实验在该范围内选取的温度较为密集。材料经过等 时时效后，磨去氧化皮，制备拉伸及测量电导率的试样，测定其抗拉强度、硬度、 电导率值等，并分别绘制等温时效曲线。寻求最佳时效温度。 2 6 等温时效 由等时时效获得的数据，选取出性能较优的材料、形变量、温度，并在该温 度下进行等温时效，保温时间分别为1 h 、2 h 、4 h 、6 h 、8 h ，空冷至室温，绘制 等温时效抗拉强度、电导率与温度曲线，确定在该温度下的最佳时效时间。 2 7 磁场条件下时效 选取2 5 及2 6 小节热处理工艺良好的材料，分别在磁场强度为o t 、5 t 、1 0 t 时，在5 0 0 下保温1 h 。 2 8 微观组织观察 ( 1 ) 取样：用金相切片机截取横截面和纵截面试样各一小块，尽量使选取 的样品保持其的代表样品的整体水平。 ( 2 ) 镶样：用热固性塑料粉末在自动压力镶嵌机上进行镶样，热固温度控 制在1 4 0 左右，压力保持为1 9 0k c m 2 ，在5 1 0m i n 下保载。 ( 3 ) 磨光：首先用水磨砂纸在金相试样预磨机上将样品打磨成平整的表面， 随后用金相砂纸由粗砂纸到细磨光，确保样品表面平整，表明无较深划痕，为下 步骤预备。 ( 4 ) 抛光：在抛光机上用c r 2 0 3 悬浮液及绒布抛至试样表面无明显划痕， 随后用w o 5 的金刚石抛光膏进行精抛，直至样品表面成为光滑无痕的镜面一般。 ( 5 ) 侵蚀：为了便于观测，采用两种腐蚀剂【6 l 】进行腐蚀，浅腐蚀采用1 2 0 m l h 2 0 + 2 0 m l h c i + 5 9 f e c l 3 混合溶液，深腐蚀采用8 0 m lh 2 0 + 5 m l h 2 s 0 4 + 1 0 9 k 2 c r 2 0 7 。 ( 6 ) 腐蚀冲洗后将试样浸入乙醇中进行超声波清洗。 ( 7 ) 采用p o l y v a rm e t 金相显微镜观察试样的显微组织。样品的显微组 织观察和能谱分析( e d x ) 在f e iq u a n t a 2 0 0 以及k y k y - a m r a y2 8 0 0 扫描电镜下 进行，选取拉伸试样断口观察其断口形貌。 ( 8 ) 为了得到第二相的平均尺寸，引入了光学金相定量截线分析法，按g b t 1 7 中南大学硕士学位论文第二章试验材料及试验方法 6 3 9 4 2 0 0 2 操作，具体方法为： a 第二相所占的百分比的测定 首先要测出单位测试上第二相所占的线长l l ( 单位为m m m m ) 和单位测试 线上第二相粒子的个数n l ( 单位为l m m ) 。设v v ( 单位为m m 3 m m 3 ) 为单位 测试体积中某个相的体积，因为l l = v v ，所以由l l 的值容易得到第二相粒子所 占的体积百分比，乘以密度则可得到质量百分比。 b 第二相粒子的平均自由程旯的测定 平均自由程指的是截面上沿任意方向的第二相边缘到另一个第二相边缘间 的平均距离，如图2 3 所示： 设两个粒子中心之间的距离为盯，则有 1 仃= ( 2 1 ) 若第二相粒子的平均自由程为五，从而 1 一厶= 心， ( 2 2 ) 1 一三， 肚彳 ( 2 3 ) 鬻一：媚锭矛 图2 3 第二相粒子的测量示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s u r e m e n to fs e c o n dp a r t i c l es i z e 2 9 透射电镜观察 t e m 电镜薄片样的制样过程如下： ( 1 ) 用透明胶粘贴( 便于拿握和控制) 将圆棒样品水磨至1 0 0l am 左右； ( 2 ) 随后用冲孔器将样品冲成0 3n u n 的圆片； ( 3 ) 在m t p 1 双喷电解减薄仪上双喷减薄、穿孔，其原理如图2 4 所示。 电解液为h n 0 3 ：c h a o h = 1 ：3 ，电流5 0 - - - ，6 0 m a ，电压2 0 3 0 v ，液氮将双喷液保 持在1 0 - - 3 0 。显微组织结构观察在t e c n a i g 2 2 0 分析电镜上进行，主要观察合 金变形前后纤维的形成及其形貌变化，以及时效后晶内及晶界处的析出相形貌、 中南大学硕士学位论文第二章试验材料及试验方法 位错组态、再结晶等。 光敏 样电解液 图2 4m t p - 1 双喷电解减薄仪工作原理 f i g 2 4t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f m t p - 1 2 1 0 材料的力学性能检测 材料的显微硬度值测试在h m v 一2 硬度计上进行，载荷设定为o 9 8n ，保 载时间为2 0s 。在测试前用8 0 0 # 金相砂纸将样品磨平，每一个状态的试样必须 测三个点，随后取平均值。由于材料经过多道次变形后，有些试样已经达不到拉 伸标准，故拉伸试验采用非标准拉伸。材料的拉伸试验在国产c s s 4 4 1 0 0 电子 万能拉伸机上进行，其中拉伸速度为：2 m m m i n ，每个状态加工3 个拉伸试样， 取其平均值作为该状态下的测定值。 2 1 1 材料的导电性能检测 材料的电阻在双臂电桥法在q j l 9 型单双臂两用电桥仪器上进行测量。试验 中电桥所测电阻精度0 0 5 ，该方法测试原理如图2 5 ，每个状态下的试样测定 三组，取平均值。 其中试样的室温电阻率可用下式换算： p ：b 孚：疋竽 ( 2 4 ) ll 式中：p 为试样在室温下的电阻率；h 为试样的高度；d 为试样的宽度；足为 试样的电阻值；s 试样的截面积。测量所得电阻率误差为： 1 9 式 ， 一 i f -坐 中南大学硕士学位论文第二章试验材料及试验方法 26 疋+ 6 s 一皖2 巧疋+ 6 h + 一吒 ( 2 5 ) 其中：噬= + o 0 5 ( 电桥精度o 0 5 ) ；如= 号笋1 0 0 = o 3 3 ( 游标卡尺测量 误差o 0 2r a m ) ；如：0 ( 0 2 1 0 0 ：o 3 3 ( 游标卡尺测量误差o 0 2r a m ) ； 6 l = + 0 1 u o u 2 1 0 0 = 0 0 2 ( 游标卡尺测量误差。0 2 m m ) ； i