纳米颗粒—细微晶协同强化铜合金的组织与性能研究

发布时间：2020-07-05 07:27

【摘要】：在传统的强化方式中,强度的提升总伴随着塑性的下降,反之亦然。本文以铜和铜合金为研究对象,将合金化和铸造工艺相结合制备不同组织结构的铜样品,以期获得强、塑性的同时提升。作者等人制备出两组铸态铜合金样品:(Ⅰ)Cu-10Sn-2Zn和Cu-10Sn-2Zn-1.5Fe-0.5Co锡青铜合金;(H)纯铜、Cu-(1.0,1.5,2.0,3.0)Fe-0.5Co 和 Cu-1.5Fe-0.1Sn 合金,分别采用金相、扫描、透射等表征手段和常温拉伸测试研究了两组样品的微观组织与力学性能。对于第Ⅰ组,铸态Cu-10Sn-2Zn-1.5Fe-0.5Co合金中大量富铁纳米颗粒弥散分布在平均尺寸23 μm的等轴晶内部(定义为NPFG结构,NP:nanoparticle,FG:fine grain),粗大的脆性δ富锡相得以消除,富铁纳米颗粒具有多种晶体学特征。结合DSC、APT技术和Thermo-Calc软件,分析得出富铁纳米颗粒与铜基体的交互作用产生NPFG结构的机制以及“纳米墙”抑制锡偏析的机制,利用MS理论解释了富铁纳米颗粒的球状不稳定性。相比原始合金,NPFG结构锡青铜的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别由225MPa、128MPa和12%提升到463MPa、215MPa和28%,说明纳米颗粒-细微晶协同强化可实现高强度和高塑性。对于第Ⅱ组,富铁纳米颗粒随着铁含量的增加而粗化,纳米颗粒在长大过程中经历了球状→立方状→花瓣状的演变。Fe、Co元素的加入引起柱状晶→等轴晶转化和晶粒细化,Sn元素的加入提高晶粒细化的效率。Cu-(1.5～3.0)Fe-0.5Co和Cu-1.5Fe-0.1Sn合金中获得NPFG结构,纳米颗粒-细微晶协同强化导致强度和塑性同时提升到纯铜的两倍左右。作者观测到四种典型的富铁纳米颗粒,结合Thermo-Calc计算和相场模拟,研究了富铁纳米颗粒的析出行为、晶体结构和形态演变机制。利用异质形核机制解释了晶粒的演化。结合原位透射拉伸和强化模型,定性和定量地分析了 NPFG结构铜合金的强化机制,提出NPFG结构的最优配置是界面钝化(如无尖锐边角的球状)的细小纳米颗粒+细微晶粒(1～1OOμm)+具有高线性错配度和高生长限制效应的微量固溶元素。本文给出了 NPFG结构的制备和优化思路,可期用于制备大尺寸和复杂形状的高强、塑性的块体金属材料。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.11
【图文】：

原理图,等通道转角挤压,原理图

发展最为快速的技术之一。其原理是将试样在一定挤压力下通过两个轴线相逡逑交且截面尺寸相等并成一定角度的通道，试样在挤压力下发生纯剪切变形进逡逑而达到细化晶粒的目的，等通道转角挤压原理如图２－２所示。逡逑暴逡逑Ｐｒｅｓｓｅｄ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑图２－２等通道转角挤压原理图［４］逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ＥＣＡＰ邋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ邋ａｎ邋Ｘ，邋Ｙ，邋Ｚ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ［４］逡逑高压扭转１６１］是由Ｂｒｉｄｇｍａｎ第一次提出并逐步发展的剧烈塑性变形工艺。逡逑图２－３为薄片盘状试样高压扭转原理图。采用此装置变形时，将薄片盘状试逡逑样施以ＧＰａ级的高压使其发生扭转。由于变形试样的尺寸不发生改变，试样逡逑的外侧可引入较大的剪切应变，使金属材料发生剧烈塑变，晶粒尺寸将不断逡逑减小直至形成超细晶甚至纳米晶粒。同时由于材料在许可的压力和试样外压逡逑力的作用下，受模具的影响，使得材料在类似于静压力的条件下发生剪切变逡逑形，因此，尽管其材料应变量很大，试样却不易发生破裂。逡逑累积叠乳是由日本大阪大学Ｓａｉｔｏ等［６２］首次提出并逐步发展起来的一种逡逑变形方法以制备纳米结构材料。采用累积叠轧大变形方法制备超细晶材料可逡逑以实现其连续化制备，但在累积叠轧过程中为了消除加工硬化、裂边及界面逡逑复合

原理图,原理图,超细晶,塑性变形

．，．Ｖ邋ｙ逡逑ｕ逡逑图２－４累积叠轧原理图［６２］逡逑Ｆｉｇ．邋２－４邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ＡＲＢ．邋Ｆｉｇｕｒｅ邋ｐｉｃｋｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ＾６２１逡逑综上所述，剧烈塑性变形是一种有效的制备超细晶乃至纳米晶材料的方逡逑法，使传统材料的性能获得大幅度的提高与改善。与未变形或小变形的粗大逡逑晶粒材料相比，剧烈塑性变形制备的金属材料所获得的超细晶以及高缺陷密逡逑度使其具有更高的强度，然而这样的组织特点也将使其延展性下降。比如，逡逑－９邋－逡逑

【参考文献】