铜合金的显微组织和力学性能.doc赵菲.doc

铜合金的显微组织和力学性能cu-3ag-0.5zr合金通过真空感应熔炼并随后通过热锻造和轧制处理后生产出来的。详细的微观结构的表征溶液处理（ST）标本显示三种类型的阶段：Cu基体，锆丰富的阶段，和Cu-Ag-Zr合金相。传输电子显微镜研究和能量色散X射线光谱分析建立在ST条件存在的富Zr的大颗粒。在450下老化4.5 h后溶液处理产生均匀分布的细小的平均粒径为92nm的球形银颗粒。因此，室温屈服强度（YS）和极限拉伸强度（UTS）的老化试样提高了110%和15%，分别，相比，120和290 MPa的ST样本。对于老化的样品,在升高的温度，YS下降到146和100兆帕540和640，分别处理。相反，YS增加到140 MPa540C，然后观察值为105MPa，在640 CST样本减少。由于粗化和第二相析出，而增加在YS是归因于原位老化的样品，这在较高温度减少了YS。关键词：老化，Cu-Ag-Zr合金，电子显微镜，高温性能1。简介由于其高导热耦合强度高，铜和铜合金有高的理想选择，热通量的应用（参考文献1）。火箭发动机是一个液体火箭发动机推力室这样的应用程序，所以需要的材料能在高温（HT）和高压力在操作过程中使用的。此外对于热传导，对推力室壁材料应随着像液态氢液体推进剂相容，氧，煤油，等。（参考文献2）。虽然纯铜具有很高导热性，但是其性能受对于给定的应用程序下的力学性能影响。因此，几个铜合金被设计成了次要的Cr，Zr，Nb的添加和银，以提高其强度没有很大程度上恶化的电导率（REF3-5）。cu-3ag-0.5zr合金（narloy-z）因为其强度和高导电性是一个被用于对液体火箭发动机燃烧室衬垫的制造发动机这样的合金（参考文献6，7）。这种合金的高导电性是由于在室温下在铜和银锆溶解度极低（RT）（参考文献8）。除了连续沉淀的推广，银作为强化元素，锆作为晶粒细化剂和氧的固定器（参考文献9）。目前合金相当于由洛克达研制的narloy-z专有合金（参考文献10）。在这项研究中的合金生产采用真空离心铸造工艺，目前的技术不可用（参考文献10）。然而进入的cu-3ag-0.5zr合金的发展传统的熔炼、锻造技术需要相当大的努力。然而，通过常规的真空产生的合金的性能感应熔炼（VIM）和锻造在微观结构的表征和力学文献是稀缺的。因此，来表征其微观结构和机械性能的努力已经作出。2。材料与方法一个10公斤cu-3ag-0.5zr合金熔体在vim采取使用纯金属炉。在石墨做的坩埚里融化，熔化倒入钢模。使用X射线荧光分析化学成分（重量百分比）的合金被确定为cu-2.85ag-0.4zr。铸坯匀浆在950 C5 h后空冷却。锻造和轧制温度实现一盘500915098立方毫米950-850C系列。在935 C0.5 h后空冷和450老化4.5 h和空气冷却下，标本切板固溶处理（ST）。机械抛光的样品用5毫升的FeCl3+20毫升盐酸+10毫升水和蚀刻在光学显微镜下检查（Olympusgx-71）扫描电子显微镜（Carl生产evo-50）配备牛津能量色散X射线光谱仪（EDS）。双射流抛光溶液中硝酸：使用甲醇（21）在T =30C，V =10-12做平面薄膜透射电子显微镜（TEM）研究。薄箔透射电镜观察（飞利浦的）配备EDS工作在200 kV下。评价ST和溶液和老化力学性能（STA）在室温和高温条件下（540和640 C）。所有的测试都使用一个通用的测试进行了机（英斯特朗5503）。每ASTME8和ASTME21分别做RT和HT测试。本文机械报告的性质基于平均三个独立的试验在RT和HT进行。图1光学显微镜观察合金的铸态：（a），（b）热锻，（c）和（d）热轧，ST（箭头指向粒子）3。结果与讨论3.1.1光学显微镜。图1显示了不同阶段下的cu-3ag-0.5zr合金的显微组织加工条件：铸造（图1A），热锻（图1B），热轧（图1c），ST（图1d）。铸态组织由枝晶，共晶相，次相颗粒嵌入在铜矩阵如图1所示（一）。同质化和热锻后，铸态组织转化与再结晶晶粒组织退火孪晶的如图1（b）。此外，一个清晰的黑暗的第二相粒子的分布进行观察。这是值得一提的是，黑粒子在双重要晶界和晶界的晶粒确认它们的作用炼油厂。这些黑色物质限制晶粒生长的钉扎热加工和热处理后的晶粒边界操作。在热轧条件下，晶粒得到细化可能是由于动态再结晶，并拉长晶粒在轧制方向观察对齐颗粒，如图1所示（C）。然而，组织转变为等轴晶粒结构与退火孪晶0.5小时后的空气在935固溶处理后冷却，如图1所示（D）。在ST的晶粒尺寸测量为507LM是条件。3.1.2扫描电子显微镜。扫描在溶液中的合金相的电子显微照片治疗是在图2所示。EDS定性分析这个阶段的结果如表1所示（串行数表1与图2中的数字）。EDS定性分析这个阶段的结果如表1所示（串行数表1与图2中的数字）。即使解决方案在935处理0.5小时，一些粗颗粒仍在铜基体中观察。铜银合金的固溶处理二进制足够长的时间来实现温度780 C均匀的固溶体（参考文献11，12）。对Cu-Ag-Zr合金，这是不是最佳的温度会降低因为锆AgCu的扩散率（参考文献9）。因此，一个更高的固溶温度对这些合金的首选使完整的使用时效硬化。在目前的情况下的合金在9350.5小时是最佳温度达到过饱和固溶体。然而，在凝固过程中形成的金属间化合物相不溶解并可用于钉扎晶界。金属间化合物相的稳定性可能是由于低扩散率和锆铜的溶解度极低（与锆溶解度在1067 C100 ppm铜）（参考文献9，12）。intermetallic已经报告过的铜银合金中的铬铜和镍，铜镍硅钴铜铬锆和锆圣状态（参考文献12）。三个阶段中观察到的类型的铜基合金层，灰色和白色粒子，粒子。EDS分析结果表明，灰色的大颗粒（1和4）在晶界富锆，而白色颗粒（2和3）存在相邻的晶粒边界对应Cu-Ag-Zr合金相。Cu-Ag-Zr合金相在合金成分通过EDS分析cu-8.5at。%Zrag-21at。金属间相类似的报道在以往的研究cu-7ag0.02zr（参考文献9）和cu-6ag-0.2zr（参考文献12）合金的cu4agzr的典型组成。这些粗糙的阶段可能已经因为Ag和锆溶解度极低的形成在铜基体在RT除了亲和力强之间Cu和Zr（参考文献9）。这些化合物是稳定的固溶温度，这有助于牵制晶界和晶粒生长从而限制。图2扫描电镜的粗相在合金后固溶处理（数字指示分析网站）Cu-Ag-Zr合金相的典型的EDS能谱如图3所示（一）；Ag和Zr峰除了铜峰。由于颗粒通常2-5LM在直径一定的贡献，预计从铜矩阵和同样体现在能谱定量分析结果。富Zr相典型的EDS能谱显示图3（B），随着锆为主的峰峰值氧。这一观察结果证实了Zr作为氧的作用固定器由莫里斯等人建议。（参考文献16）。3.1.3透射电子显微镜（TEM）.对于STcu-3ag-0.5zr合金TEM照片显示图4。调制结构大不溶粒子在这照片的主要特征。明场（BF）和暗视野（DF）的大图像粒子都显示在图4（a）和（b），分别。相应的EDS分析，谱出粒子除了微弱的峰峰锆突出银和铜，如图4（c）。定量分析结果表明，锆含量93-95重量%的范围。此外，这一结果表明富锆颗粒在合金不能完全去在固体溶液，在935热处理后甚至（ST）。图 5 表演被调整的结构与一些不溶解显得明亮的粒子了。BF 图像和对应的 EDS 分析光谱在图 5(一）中被显示和（b）, 分别地。EDS 光谱表示显着的铜峰巅指出点阵式是纯粹的铜与小的使元素成合金的数量（Ag， Zr）。STA的BF图像和相应的EDS能谱纳米颗粒的平均尺寸测量为92nm基于超过二百在TEM测量。EDS能谱凸显银峰峰和锆铜确认相纯银。这些细银沉淀是负责在增强在年龄条件（ref17）。其他调查者（ref18,19）了类似的观察，银沉淀是负责增强实力在老化条件Cu-Ag合金。然而，Ag的析出相在采用热处理的形态不同。HT后测试ST样品的TEM照片（540）如图7所示。银的沉淀中可以看到铜基体。然而，大小和interprecipitate间距是不同的从那些在STA状态观察图6（a）。析出物的大小和interprecipitate间距增大；析出物的平均尺寸测量为205nm。图3典型的EDS光谱定性分析的阶段：（一）Cu-Ag-Zr合金相，和（b）富锆相图4透射电镜在ST条件大颗粒：（一）BF，（b）和（c）DF，EDS光谱定性分析图5透射电镜下STcu-3ag-0.5zr合金：（一）BF，和（b）相应的EDS能谱图6 cu-3ag-0.5zr合金在STA条件透射电镜照片：（一）BF，和（b）相应的EDS能谱图7透射电镜照片的cu-3ag-0.5zr合金ST条件高温拉伸试验后，在540C（箭头指向的沉淀物图8典型的应力-应变曲线cu-3ag-0.5zr合金在ST和稳定的条件表1EDS分析结果从分析网站的图2显示ST样本）表2典型的拉伸性能Cu-Ag-Zr合金室温和高温3.2力学性能拉伸试验在室温和高温进行的结果表2所示。在RT，平均屈服强度（YS）的120 MPa，抗拉强度（UTS）290兆帕在ST状况观察。在450老化4.5 h后，YS和UTS增加到230和330兆帕，分别。在ST和STA合金典型的应力-应变曲线条件如图8所示。重要的是要注意，一个在UTS的YS和15%110%增加实现，因为老化。然而，观察在延性损失小老化。这种增强的强度和延展性下降是由于在对纳米银粒子析出在上一节所讨论的矩阵。ST的标本表明YS的增加，测试时540这种增加可能是由于原位老化的导致细银沉淀沉淀样品。然而，增加对比的是边际ST样品测试在RT作为试验温度（540）是超越巅峰的时效温度对合金（参考文献17）。在这温度，析出相的长大，就会导致interprecipitate间距的增加，如图7所示。进一步，YS下降到100MPa试验在640C.减少是由于析出物的溶解的温度超过沉淀析出温度。这些结果与类似的行为协议报告（参考文献20）沉淀硬化铜钛合金在升高的温度测试。STA测试样品在HT（540和640）有表现在强度下降。的屈服强度和断裂强度下降146和168兆帕，分别在540，进一步下降；640观察ys-100MPa强度（UTS113 MPa）如表2所示。减少了53和63%众信在540和640分别观察。同样，在伊苏33和56%降低到540和640 C，分别。这种强度的降低是由于过时效析出的细小的析出物在540往往在这个温度下生长。因此，这导致析出物的体积分数增加的interprecipitate间距。因此，热激活滑移在升高的温度下发生会更容易为错位避免或在沉淀而弯曲切到（参考文献20）。值得注意的是，Y值对于ST和STA测试样品在HT是相似的如表2所示。然而，众信在升高的温度更好的为ST样本比较的标准样品这表明ST条件是高温应用的更好。4。结论（1）增加的屈服强度和断裂强度110MPa和40MPa，分别在450，老化后观察4.5小时由于纳米银粒子析出在矩阵。（2）YS和UTS的ST样本小的增加观察测试时，在540原位时效硬化由于粗银沉淀沉淀在540 C的强度增加，溶解银沉淀导致的强度降低640C.（3）对于老化的样品，观察到的强度下降在540和640 C因为粗化，和析出物将有助于在易溶解位错的运动。（4）相在固溶处理后的合金与铜基体在富Zr阶段被确定为Cu-Ag-Zr合金相。致谢作者要感谢他们的同事在材料鉴定师对他们的支持的特征样品。作者还要感谢部门主管（MPD），和副主任VSSC（MME）为他们的技术指导。作者想表达诚挚的谢意主任，他同意发表这一研究VSSC。工具书类1。该c.b.a.巴特沃斯和四十，属性的调查作为聚变堆材料铜合金，J.核。母校。，1992，189（3），P 2372762。S.Kinderman，T.拜尔，R.西贝，C.霍尔曼，B.denkena，T.friemuth，M.kaufeld，和美国库伯，先进的生产工艺对于当前和未来的液体火箭发动机推力室技术，第四对发射技术国际会议，36十二月，列日，2002，P 1153。H.格罗，III，D.埃利斯，和W洛文塔尔，比较GRCop-84以高导热系数的其他铜合金材料，J.。工程执行。，2008，17（4），P 5946064。G.李，八桂托马斯，和J.F.Stubbins，蠕变和疲劳建模铜合金，金属。母校。反式。一，2000，31（10），P 249125025。J.高强，耐热弥散强化铜合金，J.母校。工程执行。，1992，1（1），P 1131216。J.H.桑德斯，P.S.陈，SJGentz，和该帕尔，微观结构对氧暴露对narloy-z影响的调查，母校。SCI。工程一，1995，3（12），P 2462557。辛格，如德国，河长，该泰铢，和艾库尔维拉，微观结构的稳定性和机械性能的变形，激光，电子束narloy-z合金高温釉，J.母校。SCI。，1997，32（14），P 389139038。有诺布里，电阻率稀金属固体解，反。法拉第SOC。，1921，16，P 5705969。A.gaganov，J.Freudenberger，大肠botcharova，和L.舒尔茨，影响Zr对显微组织，和机电性能cu-7wt %的银合金，母校。SCI。工程一，2006，437（2），P 31332210。J.M.kazaroff和G.A.瑞帕斯，传统铸造和锻造高的热通量的推力室的铜合金，nasa-tp-2694，刘易斯研究中心，克利夫兰，哦，198711。YZ田，QQ段，HJ邹阳，H，G阳，S.D.吴，和Z张，对微观组织演变的路径与影响因素摘要：设计制备的重量%的银合金加工等机械性能通道转角挤压，金属。母校。反式。一，2010，41（9），P 2290230312。记者刘，L.张，问东，上尉王，钱学森曾，孟和L.，Cr和Zr对显微组织和性能的影响%的银合金，母校Cu-6重量。SCI。工程一，2012，532，P 33133813。A.Guha，一种高强度高导电性的发展铜nibealloys，高导电性的铜和铝合金，E.岭，二taubenblat，主编，26日1984年3月1日的，冶金学会AIME，蒙特雷，CA，1984，P