Cu-Nb复合线材退火处理的微观组织及性能研究
发布时间：2021-01-05 01:54
集束拉拔工艺制备的Cu-Nb复合线材具有较高的强度和良好的导电性,是被应用于强脉冲磁场中以实现100 T的脉冲强磁场材料。本文通过对Cu-Nb复合线材进行不同温度的退火处理,利用SEM、TEM、XRD、纳米压痕力学性能测试等方法来研究不同退火处理条件下复合材料的微观组织及织构演变情况,分析了退火处理对材料力学性能和电学性能的影响,着重分析了CuNb纳米复合区的显微硬度,并且通过计算估计了材料的强度。对退火处理后材料的微观组织与力学性能和电学性能的关系进行了分析。主要研究结果如下:（1）集束拉拔工艺制备的Cu-Nb复合线材中的Nb芯丝形成了卷曲的条带状形貌,单根Nb芯丝的平均宽度约为320 nm,厚度约为20 nm,达到了纳米尺度,Nb芯丝在纵截面上呈纤维状结构。最内层的Cu基体厚度大约为76 nm,基体中存在大量的位错和孪晶,这与材料经过大塑性变形,内部产生了较高的应变能和晶格畸变有关。（2）当退火温度小于300 oC时,Nb芯丝的尺寸和形貌没有发生明显的变化,仍然呈条带状,保持平行于拉拔方向的纤维结构。400 oC退火后,Nb芯丝仍然保持条...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
目前世界上主要脉冲强磁场实验室最高磁场对比[3]
准，InternationalAnnealedCopperStandard,100%IACS=1.7241μΩ·cm）[16]。俄罗斯无机材料研究所在Cu-Nb复合材料的研究上取得了很大的突破，他们研制出的Cu-Nb复合材料强度高达1.1GPa，电导率达66%IACS[17]。日本在研制Cu-Ag线材方面也取得了很大的进展，他们研制出的Cu-Ag线材强度达到1.2GPa，导电率可达71.5%IACS[18]。我国西北有色金属研究院采用集束拉拔工艺研发制备的Cu-Nb复合线材，其中Nb纤维的数量最多达到854=5.22×107，横截面为5mm2的线材在室温下的抗拉强度达到915MPa，电导率达到73%IACS[19]。图1.2在美国弗罗里达埃格林空军基地测试的磁体线圈，线圈采用ETPCu制成，在57-58T磁场强度下发生自毁：(a)毁坏前的线圈；(b)毁坏后的线圈[9]Fig.1.2MagnetcoiltestedatEglinAirForceBase,Florida.Thecoil,madefromETPcopper,self-destructedat57-58T:(a)pre-destroyedcoil;(b)damagedcoil[9]由于在实际的应用中要求脉冲磁场的强度大于60T，脉冲时间大于10ms，因而要求磁体材料具有高导电性和高强度以减小焦耳热效应和承受线圈受到的巨大洛伦兹力。脉冲磁体技术的关键是制备出材料截面面积大于5mm2、电导率大于65%IACS时，室温抗拉强度大于1GPa的高强度、高导电性的绕制磁体线圈。目前，可用的高强度导体有金属-金属复合材料（如Cu-Ag、Cu-Nb[20]、Cu-Fe-Ag微观复合材料[21]）、纳米颗粒增强的金属基复合材料（Cu-Al2O3）和宏观复合材料（如Cu-StainlessSteel[15]）。图1.3为不同导体材料在脉冲磁场下的性能，图中
重庆大学硕士学位论文460T和10ms所分割出来的左上方区域的材料满足这个条件。Cu-珠光体（Cu-PearliticSteel）材料虽然满足该条件，但是由于该材料制备相对简单，性能相对较差，在大应变条件下容易发生分解，所以一般用于脉冲磁体的外部线圈[10]。图1.3脉冲磁场条件下导体材料的性能[22]Fig.1.3Propertiesofselectedmaterialsunderpulsedmagneticfield[22]Cu-Nb和Cu-Ag等微观复合材料在具有高强度的同时也兼具了良好的导电性，是脉冲磁体内部线圈的优选材料。在世界各国科研人员多年的实践下，他们发现采用Cu-Nb或Cu-Ag微观复合材料绕制磁体线圈能够实现100T的脉冲强磁场，所以成为脉冲强磁场磁体材料研究的重点。众所周知，强变形微观复合材料的导电性和强度是由其微观结构[20,23]决定的。在这方面，具有FCC-BCC（面心立方,face-centercubic;体心立方,body-centercubic）晶体结构的材料（Cu-Nb、Cu-Cr、Cu-Fe）被认为比FCC-FCC这种晶体结构的材料（Cu-Ag、Ag-Ni）具有更高的强度同时也表现出良好的导电性。另一方面，Cu-StainlessSteel和Cu-Ag材料的开发至少已经进行了30年[24]，因此，这些材料的潜力和局限性已经众所周知。尽管这两种材料仍可以改进，但研究学者普遍认为，适合下一代脉冲强磁场的材料（即B=100T）必须超出Cu-StainlessSteel和Cu-Ag复合材料的已知强度和导电性等参数，所以Cu-Nb材料就被研究学者认为是非常有前途的材料。对于Cu-Nb材料来说，由于Nb在Cu中的溶解度可以忽略不计，因此可以根据混合物的线性规律预期出导电性更高的材料。此外，由于Nb和Cu的弹性性质非常相似，因此可以预期合金具有良好的延展性。
本文编号：2957785
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
目前世界上主要脉冲强磁场实验室最高磁场对比[3]
准，InternationalAnnealedCopperStandard,100%IACS=1.7241μΩ·cm）[16]。俄罗斯无机材料研究所在Cu-Nb复合材料的研究上取得了很大的突破，他们研制出的Cu-Nb复合材料强度高达1.1GPa，电导率达66%IACS[17]。日本在研制Cu-Ag线材方面也取得了很大的进展，他们研制出的Cu-Ag线材强度达到1.2GPa，导电率可达71.5%IACS[18]。我国西北有色金属研究院采用集束拉拔工艺研发制备的Cu-Nb复合线材，其中Nb纤维的数量最多达到854=5.22×107，横截面为5mm2的线材在室温下的抗拉强度达到915MPa，电导率达到73%IACS[19]。图1.2在美国弗罗里达埃格林空军基地测试的磁体线圈，线圈采用ETPCu制成，在57-58T磁场强度下发生自毁：(a)毁坏前的线圈；(b)毁坏后的线圈[9]Fig.1.2MagnetcoiltestedatEglinAirForceBase,Florida.Thecoil,madefromETPcopper,self-destructedat57-58T:(a)pre-destroyedcoil;(b)damagedcoil[9]由于在实际的应用中要求脉冲磁场的强度大于60T，脉冲时间大于10ms，因而要求磁体材料具有高导电性和高强度以减小焦耳热效应和承受线圈受到的巨大洛伦兹力。脉冲磁体技术的关键是制备出材料截面面积大于5mm2、电导率大于65%IACS时，室温抗拉强度大于1GPa的高强度、高导电性的绕制磁体线圈。目前，可用的高强度导体有金属-金属复合材料（如Cu-Ag、Cu-Nb[20]、Cu-Fe-Ag微观复合材料[21]）、纳米颗粒增强的金属基复合材料（Cu-Al2O3）和宏观复合材料（如Cu-StainlessSteel[15]）。图1.3为不同导体材料在脉冲磁场下的性能，图中
重庆大学硕士学位论文460T和10ms所分割出来的左上方区域的材料满足这个条件。Cu-珠光体（Cu-PearliticSteel）材料虽然满足该条件，但是由于该材料制备相对简单，性能相对较差，在大应变条件下容易发生分解，所以一般用于脉冲磁体的外部线圈[10]。图1.3脉冲磁场条件下导体材料的性能[22]Fig.1.3Propertiesofselectedmaterialsunderpulsedmagneticfield[22]Cu-Nb和Cu-Ag等微观复合材料在具有高强度的同时也兼具了良好的导电性，是脉冲磁体内部线圈的优选材料。在世界各国科研人员多年的实践下，他们发现采用Cu-Nb或Cu-Ag微观复合材料绕制磁体线圈能够实现100T的脉冲强磁场，所以成为脉冲强磁场磁体材料研究的重点。众所周知，强变形微观复合材料的导电性和强度是由其微观结构[20,23]决定的。在这方面，具有FCC-BCC（面心立方,face-centercubic;体心立方,body-centercubic）晶体结构的材料（Cu-Nb、Cu-Cr、Cu-Fe）被认为比FCC-FCC这种晶体结构的材料（Cu-Ag、Ag-Ni）具有更高的强度同时也表现出良好的导电性。另一方面，Cu-StainlessSteel和Cu-Ag材料的开发至少已经进行了30年[24]，因此，这些材料的潜力和局限性已经众所周知。尽管这两种材料仍可以改进，但研究学者普遍认为，适合下一代脉冲强磁场的材料（即B=100T）必须超出Cu-StainlessSteel和Cu-Ag复合材料的已知强度和导电性等参数，所以Cu-Nb材料就被研究学者认为是非常有前途的材料。对于Cu-Nb材料来说，由于Nb在Cu中的溶解度可以忽略不计，因此可以根据混合物的线性规律预期出导电性更高的材料。此外，由于Nb和Cu的弹性性质非常相似，因此可以预期合金具有良好的延展性。
本文编号：2957785
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