（材料加工工程专业论文）单晶铜的bauschinger效应研究.pdf

单晶铜的b a u s c h in g e r 效应研究 指导教师签字： 摘要 单晶铜由于具有优异的塑性变形能力和良好的信号传输能力，在电子、通信、网络、 音频、视频设备等领域中具有广阔的应用前景。在实际应用时单晶铜难免要进行多次塑性 变形，可能会导致b a u s c h i n g e r 效应产生，对其后续工艺及其性能产生影响。目前学术界对 于单晶铜中出现的b a u s c h i n g e r 效应及其产生机制还没有形成统一的观点，该效应对单晶铜 的影响也未进行有效的研究。所以，研究单晶铜的b a u s c h i n g e r 效应既有理论学术意义，也 有工程实用价值。 本文采用先压缩、卸载之后拉伸的方式对单晶铜的b a u s c h i n g e r 效应进行了研究，讨 论预先应变量的大小对该效应的影响，并利用多晶铜进行对比。文中采用x r d 、s e m 和 t e m 等多种方法研究了微观组织结构对单晶铜b a u s c h i n g e r 效应的影响，揭示了单晶铜中 b a u s c h i n g e r 效应的产生机制。 研究结果表明：不论是单晶铜还是多晶铜，在正反向加载时均会出现b a u s e h i n g e r 效 应，与多晶铜相比，单晶铜的b a u s c h i n g e r 效应较小；b a u s c h i n g e r 效应大小与预应变量的 大小有关，随着预应变量的增大，单晶铜的b a u s c h i n g e r 效应先增大后减小，在预应变量 为0 1 5 6 左右出现极大值；预先加载可在单晶铜中形成平行排列的位错排，随着应变量 增加，位错间距变小，弯曲程度加大，直至形成位错网络。不同的位错组念会影响单晶铜 反向加载时形成的位错胞尺寸，预应变量越小，反向加载后所形成的位错胞尺寸越大，反 之，位错胞的尺寸越小。单晶铜中的位错胞是按照这样的顺序形成：先形成平行排列的位 错排，然后演化成不规则位错网络，进而位错塞积，最后形成胞状组织；单晶铜在正反向 加载时，会出现瞬间软化和永久硬化两种机制，瞬间软化是因为位错排或位错网络的内应 力释放，永久硬化是由于位错的快速增值。单晶铜中由于没有晶界，位错塞积少，从而体 现出较弱的软化效果。 关键词：单晶铜：b a u s c h i n g e r 效应；j 下反加载；位错；瞬间软化 r e s e a r c ho nt h eb a u s c h i n g e re f f e c t s o fs i n g l ec r y s t a lc o p p e r d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp l a s t i c i t ya n ds i g n a lt r a n s m i t t a b i l i t y , t h es i n g l ec r y s t a lc o p p e r ( s c c ) w i l lb eu s e dw i d e l yi nm a n yd o m a i n s ，s u c ha se l e c t r o n ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ，a u d i o a n dv i d e of r e q u e n c y , e t c h o w e v e r , t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nw i l lc a u s eb a u s c h i n g e re f f e c t ( b e ) w h i c hw i l la f f e c ts u b s e q u e n tp r o c e d u r ea n dp e r f o r m a n c eo fs i n g l ec r y s t a lc o p p e r i th a sn o t b e e ns t u d i e dd e e p l ya b o u tt h ei n f l u e n c eo fb eo ns c ca n dt h em e c h a n i s mo fb ef o r m e di n s c ca tp r e s e n t t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yb eo fs c c t h o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i no r d e rt os t u d yb e ，s c cs a m p l e sw e r ec o m p r e s s e di nd i f f e r e n ts t r a i n sb e f o r ei tw a s t e n s i l et e s t e d m e a n w h i l e ，p o l y - c r y s t a lc o p p e r ( p c c ) s a m p l ew e r ea l s op e r f o r m e d 晰t l lt h e s a m em e t h o d i nt h ep r e s e n t ，x r d ，s e ma n dt e mh a v eb e e nu s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f m i c r o s t r u c t u r e so nb eo fs c ca n de x p l a i nt h em e c h a n i s mo ft h ee f f e c t t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hs c ca n dp c ch a v eb e ，t h eb eo fs c ci sl o w e rt h a nt h a to f p c c ；t h eb eo fc o p p e ri sr e l a t e dt ot h ep r e s t r a i n ，t h eb eo fs c cw i l li n c r e a s ew i mt h e p r e - s t r a i n si n c r e a t i n g ，i th a sm a x i m u mw h e nt h ep r e s t r a i ne q u a l st oo 15 6 ，i ft h ep r e s t r a i n e x c e e d i s0 15 6 ，b ew i l ld e c r e a s e t h ed i s l o c a t i o nr o ww i l la p p e a rd u et op r e s t r a i n ，谢t ht h e i n c r e a s eo fp r e - s t r a i n ，t h ed i s l o c a t i o n sw i l lc u r la n dt h es p a c eb e t w e e nd i s l o c a t i o n sw i l ls h o r t e n ， a tl a s t ，t h e s ed i s l o c a t i o n sw i l lb et a n g l e dt ob e c o m en e tw o r k t h ed i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o no f d i s l o c a t i o n sw i l la f f e c tt h es i z eo fd i s l o c a t i o nc e l l si nn e g a t i v el o a d i n g ，t h es m a l l e rp r e s t r a i n ， t h el a r g e rd i s l o c a t i o nc e l l s t h ec o u s eo fc e l l se v o l v e m e n ti sc o m p o s e do ff o u rs t e p s ：f i r s t l y , d i s l o c a t i o nr o w sa p p e a ri ns c c s e c o n d l y ，d i s l o c a t i o nr o w se v o l v e dn e tw o r k t h i r d l y , t h e d i s l o c a t i o nn e tw o r ke v o l v e dd i s l o c a t i o nw a l l s a tl a s t ，d i s l o c a t i nc e l l sa p p e a r t h e r ea r et w o m e c h a n i s m sf o rs c c ，i n s t a n ts o f t e n i n ga n dp e r m a n e n th a r d e n i n g ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f p o s i t i v ea n dn e g a t i v el o a d s ，d i s l o c a t i o nr o w sa n dn e t sr e l e a s i n gs t r e s s e sw i l li n d u c ei n s t a n t i i i s o f t e n i n g ，t h eq u a n t i t i e so fd i s l o c a t i o ni n c r e a s i n gq u i c k l yi st h er e a s o no fp e r m a n e n th a r d e n i n g b e c a u s es c ch a sn og r a i nb o u n d a r ya n dh a sf e wd i s l o c a t i o np i l e u pg r o u p s ，s c c ss o f t e n i n gi s w e a k k e yw o r d s ：s i n g l ec r y s t a lc o p p e r ；b a u s c h i n g e re f f e c t ；p o s i t i v ea n dn e g a t i v el o a d ；d i s l o c a t i o n ； i n s t a n ts o f t e n i n g i v 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的 学位论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签 指导教师签名： 醐：砷 1 绪论 1 绪论 铜及铜合金在国民经济的各个部门有着广泛的用途，特别是电力、电气、机械、汽 车、建筑等行业的快速发展，相应地带动了铜加工业的快速发展。我国铜加工工业这些年 迅猛发展，快速完成了量的积累，产量逐年上升，产品种类逐渐齐全，技术装备水平不断 提高，部分企业生产技术接近甚至达到了世界先进水平。全国铜材加工的平均年递增率高 达1 6 ，表现出较高的增长速度n 2 3 。 随着科学技术的发展，对铜线材的信号传输性能和塑性变形能力提出越来越高的要 求。二十世纪7 0 年代末，日本学者大野笃美发明了0 c c ( o h n oc o n t i n u o u sc a s t i n g ) 技 术来制备金属单晶材料，以期提高材料的信号传输性能1 。经过多年研究，o c c 技术制 备单晶铜线材同趋成熟，特别是在台湾、同、美等国家和地区h 1 。据业内人士估计，国内 单晶铜的需求市场在未来2 3 年将达到3 0 0 5 0 0 吨年，并有迅猛增长的趋势。单晶铜线 材发展迅速，这完全源于它自身优异的性能。例如单晶铜无偏析、缩松，无杂质，耐腐蚀， 耐疲劳等，具有相当好的延展性、导电性和信息传输的高保真性随1 。由于消除了晶界对信 号反射和折射导致的信号衰减和变形，使传输质量获得革命性提高，单晶铜已经成为电信 号传输的新型高科技材料，用这种材料加工成的网络线缆是高速信息公路最经济实用的材 料。单晶铜线材在视听器材方面的应用已非常广泛，正在逐渐取代无氧铜用于制作高级音 响线、扬声器、麦克风的线圈，以及整机的插头和连接电缆1 。由于单晶铜对提高音响系 统品质的关键作用，一套单晶铜电缆的价格甚至与整机相当。随着电子设备的精密化、小 型化、电子元器件的高性能、微型化、轻量化，对微细铜导线( 线径小于0 0 2 m m ) 的需 求日益迫切，需求量也越来越大n 吲。因拉制微细铜线的原料铜杆很难满足加工要求，成 材率极低，仅0 5 1 ，国内市场上的单晶铜线材主要从日本、美国等发达国家进口。致 使微细铜线非常昂贵，每公斤价格高达数千到上万元。原始单晶铜具有结构致密、塑性变 形能力强而不易拉断的特点，特别是单晶铜中阻碍位错滑移运动的晶界很少，变形冷作硬 化回复快，是拉制微细铜线材的理想材料，成材率可达约9 7 。j 下是由于单晶铜的这些 优异性能，导致其拥有广阔的市场应用前景，应用0 c c 技术来制备单晶金属材料也成 为国内外研究的热点吟。1 。 1 1 单晶铜的研究概况 1 1 1 单晶连铸技术的原理 单晶连铸技术是一种采用定向连续铸造方法铸造单晶金属型材的成型工艺。0 c c 技术首先实现了定向凝固技术与连续铸造技术的结合，其发展初期主要是为了提高铸锭的 表面质量以及内部质量，消除传统连铸中的铸造缺陷，获得近成品形状的长柱状晶型材n 2 | 。 两安工业大学硕士学位论文 在该技术的基础上，通过工艺参数的优化，控制液固界面的形状，促进晶粒的竞争生长及 淘汰，可以获得单晶金属型材。因此，单晶连铸技术是o c c 技术发展的高级阶段，二 者具有相同的原理。 单晶连铸将传统连铸中的冷却铸型改为加热铸型和冷却器两部分，因此也称为热型 连铸。如图1 1 所示，在传统的连续铸造中，凝固过程首先从型壁形核开始。在接近铸型 出口部分的铸型内壁上产生一层连续的凝固壳，形成一个向固相侧凹缩的液池，晶体由铸 锭表面向中心生长，直到相互接触，凝固结束。这样，在最后凝固的铸锭中心，容易产生 气孔，缩孔、缩松及低熔点溶质偏析等铸造缺陷。同时，已凝固的铸锭表层与铸型间存在 较大的摩擦力，致使引锭所需要的牵引力很大，容易出现表面撕裂甚至拉断n 羽。 l ( a ) 单晶连铸 i ( b ) 传统连铸 图1 1 传统连铸与单晶连铸的区别 与传统连铸不同，在单晶连铸时，加热铸型不断地向铸锭表面提供热量，使表层液 体过热，产生一个铸锭中心先于表层凝固的温度场，固液界面呈向液体中凸出的形状。单 晶连铸技术的关键就在于适当地控制工艺条件，使铸锭在离开铸型出口时，表层仍呈液体 状态，即铸锭与铸模之间始终存在一层液体膜，这层膜在离开铸型出口一个很小的距离之 后自由凝固，形成一个呈镜面状光滑的铸锭表面n 引。同时液膜的存在，使铸型与铸锭间摩 擦力很小，所需牵引力也很小，而且可以连续抽拉。 1 1 2 单晶连铸技术的特点 单晶连铸技术采用热型代替传统连铸中的冷铸型，使热流沿着拉拔方向由铸型出口 向冷却区传输。因此，和传统连铸相比，单晶连铸技术具有下述特点： 1 ) 铸造过程中满足定向凝固条件，可得到完全单方向凝固的无限长柱状晶组织。由 于单晶连铸法采用了加热铸型和一个与之分离的冷却器，在铸型出口端与冷却区之间有悬 殊的温差和高的温度梯度，型内金属液的热量主要沿拉拔方向单方向传输，形成有利于定 向凝固的条件，可以得到单向生长的柱状晶组织。对工艺条件加以优化控制，使其有利于 2 绪论 晶体的竞争生长，最终只有一个晶粒沿着拉拔方向生长，实现单晶连续铸造。 2 ) 单晶连铸获得的铸锭表面呈镜面状态，断面可以是任意形状。由于在单晶连铸时 铸锭与铸型间始终存在一层液膜，摩擦力小，因此适于任意复杂形状断面型材的连铸。同 时，铸锭表面自由凝固，使其呈镜面状志，图1 2 所示为西安工业大学采用单晶连铸技术 生产的表面光亮如镜的单晶铜线材。因此，单晶连铸技术可以称为一种近成品形状生产技 术，可用于制造那些通过塑性加工难于成形的硬脆合金及金属间化合物等线材、板材及复 杂管材。金属液在铸型出口端凝固结壳。显著减小铸件与型壁的摩擦磨损，可铸得表面非 常光洁的复杂截面形状的薄壁型材。“。 囝12 光亮如镜的单晶铜线材表面 3 ) 由于定向凝固，且液一固界面向液体中凸出，使凝固过程中析出的气体及低熔点 夹杂不断排向液体，而不会被卷入铸锭，因此不产生气孔、夹杂等缺陷。同时，由于铸锭 中心先于表面凝固，不存在像传统连铸那样在最后凝固的铸锭中心处液体补充困难的问 题，因此铸锭中不会有缩孔，缩松等缺陷，铸锭组织致密。并且沿拉铸方向定向凝固朴缩 良好，可将金属液中气体和杂质从凝固前沿排斥到型内金属液中，获得纯净致密铸材还 可获得单晶或柱晶材料“。 4 ) 单晶连铸技术消除了铸锭中的横向晶界，没有气孔，缩孔，夹杂，偏析等铸造缺 陷铸锭性能得到改善有利于后续的冷加工，可以减少甚至消除冷加工过程中的中间退 火，节省能源，提高生产效率。因此，单晶连铸产品可以用作生产超细、超薄精细产品的 优质坯料。同时，完全消除了晶界的单晶铸锭，可以改普金属的电气性能t 耐腐蚀性能及 疲劳性能，开发金属材料新的应用潜力“。 1 1 3 单晶连铸技术的发展 为了连续地制造与铸型无摩擦的表面异常光洁的铸锭，同本学者大野笃美( a o l m o ) 于1 9 7 8 年发明，井于1 9 8 6 年首次发表了o c c 技术( o h n o c o n t i n u o u s c a s t i n g ) 又称热 型连铸法嘲。 曲安r 业 学碰十学位论文 早期的工作主要在于研发连铸设备，并且进行低熔点金属锡、锌、铝的铸棒、管和 板材的工艺试验。研究部门主要集中在日本千业工业大学和加拿大多伦多大学，研究者们 扦发出的连铸设备大致有三类，如图1 3 所示”“。 ( b ) 上引法( c ) 水平引锭 图i3 连铺设备的基本类型 最简单的下引法，如图1 3 ( a ) 所示，其优点是冷却容易，凝固条件优越，凝固过 程中央杂质易上浮，不易被卷入铸锭。但该法晟大的缺点是铸型出口处压力难以控制，液 体压力大，容易抵消和超过表面张力，使铸型出r | 处内擘和铸锭之间的液膜难于成型和保 持，故易发生漏液事故。图l3 ( b ) 所示的上引法与下引法相反，气体和夹杂在浮力的作 用下始终滞留在同液界面处，易被卷入铸锭。同时，该法冷却装置设计复杂，尤其对 热容量大、熔点高的余届，当需要用液体冷却剂冷却时，有使冷却剂直接漏到金属液上发 生爆炸的危险。但这种方法凝i 西l 界面处液体会属压力易控制，不会发生跑火事故，有利于 成形，故在实际试验巾仍有采用。水平引锭法如图13 ( c ) 所示，其优点则介于前两者之 间，设备简单，铸型温度易于控制，冷却装置易于制造和安装但该法由于重力作用，铸 锭在 f 方向的尺寸受到限制，适于生产细棒材、小直径管材及薄壁板类型材，水平引锭 方案是目 研究和应用最多的，而且也是最为成功的。以水平引锭法为基础，为了适应大 规模生产的需要二十世纪8 0 年代末又又有研究机构发明了回转加热铸型陋3 和上面开放 水平加热铸型m 。带材连铸设备，可以制备定向凝固组织和单品带材。2 0 世纪9 0 年代初又 发明了双金属连铸装置1 ，可阻铸出内外层不同的金属材质的管状材料。 二十世纪九十年代初期，我国有西北工业大学、兰卅l 理工大学、广东工业大学、西 安：_ 业大学等多家科研单位开始了单晶连铸技术的研究。研究工作的第一个课题便是研制 能制各单晶金属线材的连铸设备。从公布的文献资料来看，国内的单晶连铸设备除个9 4 采 用下引法外，大多数采用水平引锭法。所用设备如图14 所示包括五个主要部分：熔 化保温系统： 加热铸型系统；水冷系统：牵引系统： 液面高度控制系统。这种设 备包括了实现单晶连铸技术原理的全部五个基本要素，在实验室的应用是成功的，能制各 绪论 一定长度的单晶线材，但是要向产业化迈进，还存在以下几个问题： 1 ) 单晶线材的长度受坩埚大小或金属液总量的限制不能得到无限长的单晶金属线 材。这样，对于需要远距离传输信号的情况，势必要将几条或几十条单晶线材连接起来使 用由于接头的存在必然改变线材的组织，从而影响信号传输的清晰度和高保真度。 2 ) 一般所用铸型、坩埚和液面高度控制器，材料多为高纯石墨，在长时间高温状态 下工作，金属液、石墨制品会严重氧化，尤其是石墨铸型出口处氧化后会使铸型尺寸发生 变化，制各的线材直径不均匀。 3 ) 要制备长线，在熔化一始就要加入大量的原材料，并在制备的过程中对大量的金 属液保温，不但浪费能源，增加生产成本，也导致工作环境恶化。这是阻碍单晶连铸技术 向产业化迈进的又一问题。 液面高度控制 热电偶液态金属 圈14 早期的单晶连铸设备 为了解决这些问题，西安工业大学对图1 4 所示的早期水平式连铸设备进行了大幅改 进，设计出一套全新的金属线材单晶化设备如图1 5 所示。该设备将区域熔炼技术与单 品连铸技术相结合，很好的解决了上述问题。整个设备包括以下几个部分： 1 ) 牵引系统和送料系统。为了能生产长度不受限制的单晶线材，原材料采用直径为 6 m m 的普通无氧铜线，通过送料系统将其源源不断的送入坩锅。该系统要求稳定工作， 不能打滑，对原材料有开卷校直作用。为了配合引晶阶段的动态平衡，送料系统要求能从 0 开始无级调速。牵引系统除了要有送料系统的各功能以外，还需要能对小直径的线材 ( 0 5 3 o m m ) 保证一定的牵引力，实现连续生产，并且不能损伤线材表面。 2 ) 单晶成形系统。该部分是设备的核心部位，包括感应器、加热铸型、冷却器等部 分。主要是形成制备单晶线材所必备的温度场。采用容量为i5 m l 的小型石墨坩锅，只熔 化很少量的原材料，降低了能源消耗，改善了劳动环境。功率仅5 7 k w 。 3 ) 控制系统。主要控制加热温度、送料速度和牵引速度。 在水平单晶连铸时，单晶线材直径受工艺影响较大。直径越小的线材对工艺要求越 西安丁业 学硕十学位论文 高，各工艺参数的匹配要求更加严格，不容易实现长时m 连续生产。如前所述，目前国内 生产的单晶线村直径大多在6 8 m m ，与实际所需要的0 2 5 l5 r a m 的线材差距太大。新 设计的单晶连铸设备采用微区熔化与单晶连铸技术相结合的方式，能生产直径为10 30 m n i 的细单晶线材，只需少量次数的拉拔则可用于传输电缆。 图l5 新研制的铜线材单晶化设备 要带咯长线材，工艺能否稳定是核心问题。制各单晶线材的主要工艺参数有铸型温 度、冷却能力和牵引速度，它们均会影响液固界面的形状和位置“”。液固界面向液态金属 中凸出，是形成单晶线材的必备条件。经过测试，新型设备完全可以达到上述要求，形成 单晶连铸所必需的温度场，最终制备出优质的小直径单晶铜线材。 1 1 4 单晶连铸产品的性能研究 目前对单晶线材的研究主要集中在单晶线材力学性能和电学性能两个方面。 ( 1 ) 力学性能研究 单晶连铸技术不仅可以生产出具有外观优美和内部质量好的铸件，而且产品还具有非 常优异的塑性加工性能口”。例如，采用该技术生产的m 2 0 m m 的a i 。1 s i 单晶铸棒，在无 任何中间退火时，可冷拔至( p 1 0 0 n 的细线；q 4 r n m 的s n 一3 0 z n 合金棒可玲拔至中1 0 0 姗： 对n 姐工性能较差的金属镁，不加任何台金元桑而获得单晶板材，可冲压成5 0 “r n 的薄板， 且不降低其耐蚀性口8 i 。单晶连铸铝线材的抗拉强 度o n 比金属型多晶铝降低3 88 但其屈服强度 o - o2 并没有降低，咖加b 比值提高达9 3 。单晶铝； 的延伸率比多晶铝提高1 1 7 ，断面收缩率大于t 8 0 。 西安工业大学对单晶铜线材的力学性能进 行了详细研究，采用单晶连铸技术生产的单晶铜 线材、多晶铜线材和经过冷拔退火处理后的普通 铜线材的载荷一伸长曲线如图1 6 所示。可以看 出，普通铜线材在塑性变形开始后，变形所需的围i6 不同组织铜的载荷一伸长曲线 应力迅速提高，单晶铜线材则不同，开始变形后，相当长时间内，变形所需应力缓慢增加， 试样只发生均匀伸长，直到颈缩开始后，应力下降。单晶铜线材的抗拉强度比普通铜线材 降低5 08 3 ，屈服强度降低7 83 8 ，延伸率提高达6 5 。 单晶铜线材的断口呈扁尖状，在扁尖状的断口上观察不到韧窝。而普通铜线材断口 呈圆形，微观断口形貌是韧窝结构，如图17 所示。这一结果表明，采用单晶连铸技术获 得的单晶铜线材，其塑性较普通铜线材好很多呻1 。 ( a ) 单晶铜线材断口x 5 0( b ) 普通铜线材断口x 5 0 遴菱遴霞i 癸甏漾 ( c ) 单晶铜线材断口x 5 0 0( d ) 普通铜线材断日5 。o 图i7 单昌铜和普通铜的断口扫描 兰州理工大学丁雨田等人的研究表明，铸态单晶铜棒在静拉伸性能、单项扭转( 1 1 下 值) 性能、导电性等方面都比多晶铜棒优越延伸率达6 5 ，t t f 值达到1 1 0 以上，电阻 率低于16 8 1 0 。8 n m ：单晶铜棒具有优异的室温延展性，延伸率达6 1 0 0 9 6 以上；冷拔加工 后，单晶铜表现出更大的加工硬化现象等等“。许振明，李余山等人对连续铸造铜单晶的 力学性能和电阻率的研究表明，连铸铜单晶塑性变形的主要机制是滑移与孪生，连铸铜单 晶与多晶铸棒相比电阻率降低了1 55 7 ，与定向凝固铸棒相比电阻率降低了6 1 4 。文 献 3 3 - 3 5 研究了单晶铜在滑移变形机制下的拉仲颈缩、在循环形变中形成的形变带及驻 留滑移带的演化等问题。 ( 2 ) 电气性能研究 文献 3 6 对单晶铜和c u 一0 1 a g 合金室温下导电性能进行了比较，如表11 所示。可以 看出，在室温下单晶铜的导电性能比铜银台金的较好；但是在冷变形后，单晶铜导电性能 两安工业入学硕士学位论文 衰减的速度比c u - 0 1 a g 合金的快。 表1 1 单晶铜和c u 一0 1 a g 合金室温下导电性能比较 材料，态8 冷变形后4 电阻率( qm m 2 m )相对电阻率( i a c s )电阻率( qm m 2 m )相对电阻率( i a c s ) c u - 0 1 a g 0 0 1 7 4 6 19 8 7 3o 1 7 7 2 8 59 7 2 5 单晶铜0 0 1 6 6 3 6 71 0 3 6 30 0 1 7 4 5 7 1 69 8 7 单晶铝具有很低的电阻率，而多晶铝随着横向晶界数目的增加电阻率增加。单晶铝 的电阻率平均为2 。6 4 5 5 1 0 8 q m ，比金属型多晶试样表面细晶区降低“5 ，比中心粗晶 区降低8 1 。从而说明横向晶界对导电性能有显著影响。如图1 8 所示。并且发现，晶界 的有无对电阻率的影响很大，而晶界的数量对电阻率的影响却比较小。晶界对电阻率的影 响，归因于晶界上大量存在的空位、位错及杂质对电子散射的综合效应口7 1 。 文献 3 8 的研究表明：信号频率为5 0 h z - 1 5 k h z 时，引起传输信号失真度从大到选 的顺序分别是单晶、双晶和多晶试样。信号频率变化时，晶界对传输信号的影响存在一个 谐振频率尼。当输入信号的频率为谐振频率时，传输信号的失真度最小。当传输频率大于 而时，所有试样对传输信号失真度的影响随信号频率的增加也随之失真度增加。当频率小 于尼，所有试样对传输信号失真度的影响随信号频率的增加失真度减小。利用二次曲线拟 合可得出多晶、双晶以及单晶铜试样的谐振频率而分别为：2 5 6 、2 3 8 、2 3k h z ，如图 1 9 所示。 3 o 写2 9 专 = 锝 雪：e 2 _ 7 2 e 024881 01 21 41 6 晶界密度i c m 024681 01 21 41 e 频率，g h z 图1 8 晶界数与电阻率的关系图1 9 晶界对传输信号失真度的影响 晶界对铜线材电阻率的影响研究表明，铜线材的电阻率随晶界数的增加而增加，但 是它们之间并不像位错、空位那样呈线性关系。当晶界数少时，电阻率随晶界数量的增大 增长较快，当晶界数达到一定值后，电阻率增加相对减缓，如图1 1 0 ( a ) 所示。晶界数 8 o o 8 7 6 5 4 3 2 1 o 尹o，莓f做水 1 绪论 与电容值关系曲线见图1 1 0 ( b ) ，随着导线中晶界数的增加，铜导线的电容值单调递减。晶 界对传输信号的影响具有电容效应，垂直于信号传输方向的晶界电容效应更为显著，而平 行于信号传输方向的晶界相对较弱。晶界的电阻率大于晶界两侧晶粒的电阻率是晶界影响 传输信号的本质，而晶界的三元特性：电阻、电容以及电感特性是晶界对传输信号影响的 具体表现形式。 o 4 0 单位长度上的晶界教，m m 1 02 04 0 单能长度上的何舒数，mm 1 ( a ) 晶界对铜线材电阻率的影响( b ) 晶界对铜线材电容的影响 图1 1 0 晶界对铜线材电学性能的影响 除此之外，还有许多学者在此领域进行了广泛研究，取得了显著效果口争柏1 ，使人们对 于单晶材料的性能特点有了更为深入的了解，从而为更好的应用、改进单晶材料的性能打 下了坚实的理论基础。 本课题组为了更好的研究单晶铜线材信号传输性能，将采用金属线材单晶化技术制备 的高质量单晶铜线材加工成传输音频、视频信号的多款专业电缆，并对各电缆的插损、驻 波、相位等电气性能进行了测试。图1 1 1 为两组不同类型的电缆，单晶铜芯电缆与多晶 铜芯电缆在不同频点的电气参数对比。可以看出，几乎在所测试的各个频点上，单晶铜芯 电缆的衰减均小于多晶铜芯电缆，尤其是在低频段，单晶铜芯电缆的信号传输性能明显优 于多晶铜芯电缆。对相位稳定性的测试也显示出单晶铜线材制备的电缆的优越性，采用单 晶铜为内导体的电缆的相位差远小于以多晶铜为内导体的电缆，这一优势在高频端更为明 显，单晶铜制备的电缆随频率的升高相位差不会向多晶铜电缆那样迅速增加，且在任何频 段均比较稳定。 另外，单晶铜线材制备的音响线具有正反方向差异已经被专业电缆制造商a u d i o q u e s t 公司报道，在该公司生产的信号传输电缆上已经明确标定出信号的传输方向，如 图1 1 2 所示。他们标定音响线正反方向差异的办法是采用专业人士对高级音响线进行试 听。然而，对于造成这种正反向差异的原因却未见报道。对单晶铜线材信号传输存在正反 性差异的微观机理进行研究，不仅可以进一步的研究单晶铜线材塑性变形的微观机制，同 时可以深入了解单晶铜线材信号传输的影响机理，对提高单晶铜线材信号传输能力具有深 9 “ 眩 他 柏 e点毛l，簪甚罾 曲安_ 业大学硕十学位论文 远的科学意义 | | o 陵j a ) s f t - 3 】6 的衰减规律 c ) s f t - 3 1 6 的相位稳定性 b ) s s 4 0 2 的衰减规律 d ) s s 4 0 2 的相位稳定性 图i 】单晶铜电缆和多晶铜电缆的电气性能对比 图11 2a u d i oq u e s t 公司带有方向性的电缆产品 1 1 5 单晶连铸技术的现状 自从单晶连铸技术问世以来，为新型功能材料及其近终成型产品的开发，开辟了 1 绪论 条新的途径。o c c 产品第一次工业应用是由n i p p o nl i g h tm e t a l s 公司生产的铝硅合金连 接线。紧接着另一个工业应用是由f u r a k a w ae l e o t r i e 公司( 古河电器工业公司) 和s u m m t o m oe l e c t r i c 公司( 住友电器工业公司) 制造的不同直径( 5 m m 、8 m m 、1 5 m m ) 的铜线和铜棒，用于生产单晶信号线n 引。晶界在音频信号传输中相当于许多串联在一起的 电容，对信号的传输会起到歪曲和衰减的作用。因此，单晶铜信号传输线可提高信号传递 的清晰度和保真度。目前，用单晶铜线材所制备的精密电缆已广泛应用到通讯业和音响业 中，在日本、美国等地已有此类产品的生产和销售。 单晶材料对拉丝性能的改善是很显著的。多晶材料拉丝到一定直径时，会在晶界上 断裂，而单晶材料则无此弊病。l j i m a k i n g i n k o g y o 公司对采用o c c 技术制成的1 8 k 金 线进行了试验。结果表明，o c c 技术制成的中8 m m 金线可以直接冷加工拉制成中o 2 m m 细丝，而普通多晶材料拉制到o 7 m m 就会发生断裂。显然，o c c 制品克服了拉制过程 中的断丝问题h 射；普通纯镁的塑性是很差的，而大阪富士公司o c c 开发室采用单晶连 铸技术制造的宽7 5 m m 、厚5 m m 镁板，可轧制成0 0 5 m m 的镁箔，并深冲成扬声器的振 动膜h 6 j ；单晶铜拉制的细丝已用于高级视听器材的接线和扬声器线圈等h7 i ，大阪富士公司 的o c c 开发室设计了日本唯一的镁轧制品中心，用以改变完全依赖进口生产的状况。 因此，单晶连铸制品可以加工成超细的线和超薄的箔，作为生产集成电路、大型计算机以 及电子仪器、音响设备所需的高级材料的原材料h9 1 。采用o c c 技术也可以制造高纯度 的材料。例如，o c c 技术可以制备纯度为9 9 9 9 9 的铝铸件，还能制备纯度为9 9 9 9 9 或较高纯度的铜材料等哺叫。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，国内也相继丌展了对单晶连铸技术的研究工作。1 9 8 5 年 西安交通大学邢建东教授首次将单晶连铸技术介绍到中国，并进行了单晶连铸s n 、a l 线 材的研究工作瞄1 | 。西北工业大学凝固技术国家重点实验室自1 9 9 4 年开始研究热型连铸技术 ( 即o c c 技术) ，由范新会等人成功研制出国内首台单晶连铸设备，逐步解决了一些关 键性工艺问题，并成功制备出8 m m 的单晶铝和单晶铜线材，对热型连铸凝固过程中单 晶组织的演化机理、单晶铝、铜的性能以及热型连铸工艺过程等问题进行了研究啼撕3 | ，2 0 0 3 年，西北工业大学与成都新德克电子有限公司就单晶铜材料应用于高保真线材领域建立起 全面的技术合作关系，并开始投入生产。广东工业大学黎沃光教授领导的课题组在1 9 9 8 年也成功制备出直径为8 m m 的单晶铜线材，性能已经达到日本公布的指标，即最大含氧 量 5 p p m ；最大含氢量 0 5 p p m 。并且先后开展了a l 、s n 、p b 、z i a l c u l 0 、c u a l n i 形状记 忆合金等金属线材的热型连铸研究工作。并于2 0 0 1 年7 月份与协力创壹公司合作研制成功 年产6 0 0 t 单晶铜的工业规模生产线，试产成功畸4 。5 8 1 。兰州理工大学1 9 9 2 年开始着手研究单 晶连铸技术，于1 9 9 5 年完成了单晶连铸过程温度场数值模拟工作嘲刊3 ，1 9 9 8 年设计了一台 单晶连铸试验设备，并制备出了单向凝固柱状晶组织纯a l 、a 1 c u 合金线材；1 9 9 9 年对该 设备又进行了改进，提高了设备的机械稳定性及对温度、拉丝速度的控制精度，并成功制 备出了铝单晶线材；2 0 0 1 年又设计并制造出了一台水平式单晶连铸设备，制备出了直径为 西安工业大学硕士学位论文 m 3 0 6 m m 的单晶铜线材，开展了单晶铜制备工艺、热型连铸单晶铜的电学性能、力学 性能、冷压延及冷拉拔性能研究“h ”。此外，北京科技大学、河南科技大学、上海大学等 单位也相继开展了热型连铸技术的研究“5 。 西安工业大学单晶连铸实验室从上世纪九十年代初开始，在国内率先开展了对热型 连铸技术及原理的研究，发明了将区域熔化和热型连铸技术相结合的单晶金属线材制各方 法，并且自行研制出一套适于生产小直径、无限长单晶金属线材的连铸设备，如图11 3 所示。在此基础上，深入研究了工艺参数对热型连铸过程的影响，解决了热型连铸技术中 的几个关键性难题，对热型连铸时铸锭中的晶粒演化、组织稳定性、连铸过程中的提纯作 用等问题给出了详细解答，提出了以a l 、c u 为主要原材料，制各小直径无限长单晶线材 的整套工艺。目前实验室利用自行研制的热型连铸设备可以稳定生产直径为l0 蚴 35 r a m 的各种规格、长度不受限制的细单晶金属线材，见圈1 1 4 所示。 图il3 正在工作的金属线材单晶化设备 国_ 图l1 40 14 m m 高纯单晶铜线材殛其金相组织 为了将热型连铸技术推向产业化，让单晶金属线材得到广泛的实际应用，西安工业大 学单晶连铸实验室利用单晶铜线材制各了h s y v - 5 e4 2 x 05 数字通讯电缆“”、五芯七股 线、s y v - 5 0 3 、s y v - 5 0 7 5 1 、s y v - 5 0 7 5 5 、l l s b - 2 0 0 、s f t - 3 1 6 、r g - 4 0 5 等多种型号 的电缆，如图l1 5 所示，并对他们进行了相关性能测试。 b ) 五芯七股线( c ) s y v 一5 0 一7 5 ( e ) l l s b 一2 0 0 g ) r g - - 4 0 5 ( h ) s s - - 4 0 2 ( i ) s s - - 4 0 5 图i1 5 用单晶铜为内导体制备的不同规格电缆 如前文所述，目前国内所制各的单晶铜线材大多为m 8 m m 和m 6 m m ，远远大于实际 应用中的铜线材直径。无论是利用其高保真特性制各传输电缆还是利用其优异的塑性变形 能力制各高附加值的微细线，单晶铜线材都须经过大量塑性变形，即多次拉拔刊能制成成 品。西安工业大学生产的小直径单品铜线材由于工艺需要，在实际应用时也必须进行少量 的拉拔。塑性变形量的大小和变形方向均会对单晶铜的性能产生影响。到目前为止，有关 单晶铜变形前后的性能及其变化已经有过很多研究，但是单晶铜中的b a u s c h i n g e r 效应的 研究却相当少见。 两安丁业人学硕十学能论文 1 2 金属材料中的b a u s c h i n g e r 效应 1 2 1b a u s c h i n g e r 效应的描述 1 8 8 6 年，j o h a n nb a u s c h i n g e r 通过对钢进行一系列的拉伸和压缩试验后发现，在反向 变形期间其屈服点降低，即在一定量的单向拉伸或压缩塑性变形之后进行反向加载，材料 的屈服强度会低于连续正向变形的屈服强度，这种现象称之为b a u s c h i n g e r 效应旧1 。 b a u s c h i n g e r 效应是金属材料所具有的普遍现象，了解b a u s c h i n g e r 效应的机制对于产 品的生产工艺和设计有重要指导意义。了解b a u s c h i n g e r 效应的机制还有助于建立材料在复 杂循环塑性变形下的结构模型，进而从本质上理解加工硬化现象，合理说明材料的疲劳特 性，如平均应力的驰豫和循环蠕变以及弹性后效等嫡们。 可以用一个反向应变量来定量描述b a u s c h i n g e r 效应，这一反向应变量指载荷反向后 为使反向流变应力在数值上等于正向形变所达到的最大流变应力，应该添加的附加应变的 大小口引。如图1 1 6 ( a ) 所示，a b c 代表单轴拉伸中的正向变形，c 是卸载点。c d 是拉伸 卸载段，而d e f 是反向压缩加载段。不管加载方向是正还是反，把应力值和累计应变量重 新画在图1 1 6 ( b ) 中。这里，a b c d 代表拉伸段，而d e f 是压缩加载部分。同时把正向硬 化段延长至c7 点，于是近似平行的线段c c 和e f 之间的流变应力水平的瞬时差巩用作表 示b a u s c h i n g e r 效应参量，它反映所谓“永久软化”的程度 。与此类似，最大正向拉伸应 力点c 所在处的正反向之间的应变差a 瓦是个应变特征参量，叫做b a u s c h i n g e r l 直变。 口 c 门i d e | | 二一 a ) b ) 图1 1 6 金属材料的单向拉伸一压缩曲线 1 2 2b a u s c h i n g e r 效应的作用机制 产生包b a u