高强高导Cu-Cr-In合金制备方法及强化机制研究
发布时间：2021-07-16 17:30
铜合金作为集结构与功能要求为一体的有色金属材料,被广泛运用于集成电路引线框架、高速铁路电气接触线、传热导热元件等众多领域。为了满足高铁接触线对大长度、高强度、高导电的要求,Cu-Cr系合金成为了该领域的研究热点。为解决含有难熔易烧损元素铜合金制备的难题,课题组开发了一种新型Cu-Cr-In合金,有效提升生产效率及稳定性。本工作重点研发适用于新型高强高导Cu-Cr-In合金的制备加工工艺,研究合金在制备加工过程中组织与性能的演变规律,揭示合金成分、制备工艺、组织、性能的内在关联规律,对Cu-Cr-In合金的产业化生产具有重要的理论指导意义。本文通过大气环境下熔炼、铁模铸造的方法制备Cu-Cr-In合金铸锭,采用扫描电镜观察铸态合金初生相的形貌,运用Scheil模型模拟合金凝固过程中溶质原子分布规律。结合透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）和原子探针层析技术（APT）等分析技术,对不同In含量的Cu-Cr-In合金组织性能开展研究,分析Cu-Cr-In合金时效过程中In对Cr相析出行为的影响,同时采用等温压缩热模拟试验研究Cu-Cr-In合金的热变形行为。研究“热挤压—拉拔—固...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
合金元素对铜导电、再结晶性能的影响[1,2]
第一章绪论3从而使材料的强度升高。固溶强化效果与溶质原子含量、溶质与基体原子的尺寸差呈正比例相关。溶质原子含量越高、原子尺寸相差越大，强化效果越明显。另外，Cottrell效应、Snock效应、化学作用、静电作用和有序强化等均会影响合金的强化效果[7]。Fleischer等人[8]提出合金元素在Cu中固溶强化主要是由于固溶原子与螺位错之间的弹性相互作用产生的，这种相互作用是由于合金元素与Cu之间的剪切模量、原子尺寸的差异引起的，其中剪切模量的差异起主要作用。固溶原子引起基体晶格畸变，电子在合金中运动、传导过程中增大了电子的散射概率，从而造成合金电阻率升高、导电率降低。图1.2所示为不同元素对Cu的电阻率的关系图。溶质原子浓度越高，Cu电阻率升高。图1.2合金元素与铜电阻率的关系[9,10]添加固溶元素能提高合金强度，但也恶化合金的电学性能。因此，通过单一的固溶强化的方法来提高高强高导合金强度的效果有限，因此还必须与其他强化方式相结合。1.3.2形变强化金属或合金在变形过程中会形成大量的位错，在变形过程中位错运动、相互缠结，形成割阶，减弱位错的运动；另外，位错之间相互作用，缠结、塞积，又进一步阻碍位错的运动，从而使合金的强度、硬度升高，这个过程称为形变强化。合金强度一般是受多种强化机制共同作用。合金在形变过程中发生位错增殖，位错密度升高[11]，大量位错相互作用形成形变强化的同时，由于合金受力变形，晶粒发生破碎也产生了细晶强化的效果。王余强等人[12]对纯Cu线进行冷拉变形，随着真应变的升高，纯铜线的抗拉强度逐渐增大，其中形变强化和细晶强化起主要强化作用。合金进行冷变形并发生塑性变形，产生大量位错、空位等缺陷，导致电子传输过程中发生散射，合金电导率降低。
第一章绪论6(a)Cu-Cr相图(b)富Cu区域相图图1.3Cu-Cr相图[27]1.4.2第三组元对Cu-Cr系合金的影响向合金中添加少量第三或第四组元形成的Cu-Cr系合金兼具优良的强度和导电性能，因而也被广泛运用于高铁接触线[32-34]、引线框架材料[35-37]、热交换[32,38]等领域。在Cu-Cr合金常见的添加元素有Zr[30,33,39]、Ag[6,40,41]、Mg[42]、Ti[43,44]等，且不同元素对合金的作用机理不同。1.4.2.1第三组元对合金凝固过程的影响Cu-Cr合金凝固过程中形成的铸态组织主要有富Cu相、富Cr相及共晶组织（Cu+Cr）所构成。合金的微观组织结构主要与合金的成分、冷却强度、冷却方式等因素有关[4,32,45]。大量的研究表明，在Cu-Cr合金中添加第三组元，会对合金的凝固过程产生影响，进而改变合金组织中的富Cr相的形貌与分布情况。Tanaka等人[46]提出Zr的添加，能改变Cu-Cr-Zr合金的固相体积分数，从而改变初生Cr相的结晶数量，共晶Cr相减少。Sun等人[47]指出添加Zr元素组成的Cu-Cr-Zr合金，在快速凝固过程中，Zr元素对液固两相分离起抑制作用，使得合金在凝固过程中生成的初生Cr相更为细校Wang等人[48]发现Ti元素添加也对合金的凝固过程产生影响，其可通过提高Cu29Cr合金液固转变的临界过冷度，减小临界形核半径，增大形核率，进而细化合金晶粒。Tian等人在Cu-15Cr中添加0.24Zr后，合金的共晶Cr相数量减少，且树枝状Cr相更为细小，并提出Zr能抑制合金共晶Cr相的形成并细化树枝状初生Cr相[49]。Liu等人[50,51]发现Ag能减小铸态组织中初生Cr相的尺寸，并使多相间变形协调性更好。Si能稳定Cu-Fe合金快速凝固时的液体混溶隙[52]，而对Cu-Cr合金来说，Yu等人[53]指出Si能使Cu-Cr二元体系中亚稳液相分离趋于稳定，提升临界温度，并出现核?
【参考文献】：
期刊论文
[1]上引-连续挤压法制备Cu-Cr-Ag合金的组织与性能[J]. 徐高磊,彭丽军,米绪军,解浩峰,黄国杰,杨振,冯雪,尹向前,刘冬梅. 稀有金属材料与工程. 2019(04)
[2]低浓度Cu-Ni-Si合金的组织与性能[J]. 刘峰,米绪军,马吉苗,黄国杰,洪松柏,解浩峰,彭丽军. 中国有色金属学报. 2019(02)
[3]热轧Cu-Cr和Cu-Cr-CNT纳米复合材料的比较研究（英文）[J]. S.SHAKIB HAMEDAN,M.ABDI,S.SHEIBANI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(10)
[4]Achieving High Strength and High Electrical Conductivity in a CuCrZr Alloy Using Equal-Channel Angular Pressing[J]. Yun-Xiang Tong,Yu Wang,Zhi-Min Qian,Dian-Tao Zhang,Li Li,Yu-Feng Zheng. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(10)
[5]Cu-Cr-In合金形变热处理过程的组织与性能演变研究[J]. 李明茂,张小平,陈辉明,汪航,杨斌. 稀有金属. 2017(12)
[6]大拉铜线冷拉拔过程组织及性能研究[J]. 王余强,刘劲松,赵天章,张士宏. 沈阳理工大学学报. 2016(05)
[7]行星轧制条件下Cu-Cr-Zr合金棒坯的裂纹研究（英文）[J]. 付亚波,崔静,曹志强. 稀有金属材料与工程. 2015(03)
[8]冷却速度对铜凝固过程中微观结构转变影响的模拟（英文）[J]. 易学华,钟庆湖,陈书汉,卜寿亮. 材料科学与工程学报. 2014(06)
[9]强变形对Cu-Cr合金组织性能的影响[J]. 宋鲁男,刘嘉斌,黄六一,曾跃武,孟亮. 金属学报. 2012(12)
[10]高速电气化铁道用CuSn合金接触线成形工艺研究[J]. 支海军,徐玉松,陆敏松,郑莉芬. 铸造技术. 2009(12)
博士论文
[1]高强高导Cu-Cr-Zr合金组织和性能的研究[D]. 潘振亚.上海交通大学 2015
[2]Cu-Cr-Zr系合金微观组织演变规律及合金元素交互作用机理的研究[D]. 彭丽军.北京有色金属研究总院 2014
硕士论文
[1]高强高导Cu-Cr-In合金的组织与性能研究[D]. 张小平.江西理工大学 2015
本文编号：3287443
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
合金元素对铜导电、再结晶性能的影响[1,2]
第一章绪论3从而使材料的强度升高。固溶强化效果与溶质原子含量、溶质与基体原子的尺寸差呈正比例相关。溶质原子含量越高、原子尺寸相差越大，强化效果越明显。另外，Cottrell效应、Snock效应、化学作用、静电作用和有序强化等均会影响合金的强化效果[7]。Fleischer等人[8]提出合金元素在Cu中固溶强化主要是由于固溶原子与螺位错之间的弹性相互作用产生的，这种相互作用是由于合金元素与Cu之间的剪切模量、原子尺寸的差异引起的，其中剪切模量的差异起主要作用。固溶原子引起基体晶格畸变，电子在合金中运动、传导过程中增大了电子的散射概率，从而造成合金电阻率升高、导电率降低。图1.2所示为不同元素对Cu的电阻率的关系图。溶质原子浓度越高，Cu电阻率升高。图1.2合金元素与铜电阻率的关系[9,10]添加固溶元素能提高合金强度，但也恶化合金的电学性能。因此，通过单一的固溶强化的方法来提高高强高导合金强度的效果有限，因此还必须与其他强化方式相结合。1.3.2形变强化金属或合金在变形过程中会形成大量的位错，在变形过程中位错运动、相互缠结，形成割阶，减弱位错的运动；另外，位错之间相互作用，缠结、塞积，又进一步阻碍位错的运动，从而使合金的强度、硬度升高，这个过程称为形变强化。合金强度一般是受多种强化机制共同作用。合金在形变过程中发生位错增殖，位错密度升高[11]，大量位错相互作用形成形变强化的同时，由于合金受力变形，晶粒发生破碎也产生了细晶强化的效果。王余强等人[12]对纯Cu线进行冷拉变形，随着真应变的升高，纯铜线的抗拉强度逐渐增大，其中形变强化和细晶强化起主要强化作用。合金进行冷变形并发生塑性变形，产生大量位错、空位等缺陷，导致电子传输过程中发生散射，合金电导率降低。
第一章绪论6(a)Cu-Cr相图(b)富Cu区域相图图1.3Cu-Cr相图[27]1.4.2第三组元对Cu-Cr系合金的影响向合金中添加少量第三或第四组元形成的Cu-Cr系合金兼具优良的强度和导电性能，因而也被广泛运用于高铁接触线[32-34]、引线框架材料[35-37]、热交换[32,38]等领域。在Cu-Cr合金常见的添加元素有Zr[30,33,39]、Ag[6,40,41]、Mg[42]、Ti[43,44]等，且不同元素对合金的作用机理不同。1.4.2.1第三组元对合金凝固过程的影响Cu-Cr合金凝固过程中形成的铸态组织主要有富Cu相、富Cr相及共晶组织（Cu+Cr）所构成。合金的微观组织结构主要与合金的成分、冷却强度、冷却方式等因素有关[4,32,45]。大量的研究表明，在Cu-Cr合金中添加第三组元，会对合金的凝固过程产生影响，进而改变合金组织中的富Cr相的形貌与分布情况。Tanaka等人[46]提出Zr的添加，能改变Cu-Cr-Zr合金的固相体积分数，从而改变初生Cr相的结晶数量，共晶Cr相减少。Sun等人[47]指出添加Zr元素组成的Cu-Cr-Zr合金，在快速凝固过程中，Zr元素对液固两相分离起抑制作用，使得合金在凝固过程中生成的初生Cr相更为细校Wang等人[48]发现Ti元素添加也对合金的凝固过程产生影响，其可通过提高Cu29Cr合金液固转变的临界过冷度，减小临界形核半径，增大形核率，进而细化合金晶粒。Tian等人在Cu-15Cr中添加0.24Zr后，合金的共晶Cr相数量减少，且树枝状Cr相更为细小，并提出Zr能抑制合金共晶Cr相的形成并细化树枝状初生Cr相[49]。Liu等人[50,51]发现Ag能减小铸态组织中初生Cr相的尺寸，并使多相间变形协调性更好。Si能稳定Cu-Fe合金快速凝固时的液体混溶隙[52]，而对Cu-Cr合金来说，Yu等人[53]指出Si能使Cu-Cr二元体系中亚稳液相分离趋于稳定，提升临界温度，并出现核?
【参考文献】：
期刊论文
[1]上引-连续挤压法制备Cu-Cr-Ag合金的组织与性能[J]. 徐高磊,彭丽军,米绪军,解浩峰,黄国杰,杨振,冯雪,尹向前,刘冬梅. 稀有金属材料与工程. 2019(04)
[2]低浓度Cu-Ni-Si合金的组织与性能[J]. 刘峰,米绪军,马吉苗,黄国杰,洪松柏,解浩峰,彭丽军. 中国有色金属学报. 2019(02)
[3]热轧Cu-Cr和Cu-Cr-CNT纳米复合材料的比较研究（英文）[J]. S.SHAKIB HAMEDAN,M.ABDI,S.SHEIBANI. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2018(10)
[4]Achieving High Strength and High Electrical Conductivity in a CuCrZr Alloy Using Equal-Channel Angular Pressing[J]. Yun-Xiang Tong,Yu Wang,Zhi-Min Qian,Dian-Tao Zhang,Li Li,Yu-Feng Zheng. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2018(10)
[5]Cu-Cr-In合金形变热处理过程的组织与性能演变研究[J]. 李明茂,张小平,陈辉明,汪航,杨斌. 稀有金属. 2017(12)
[6]大拉铜线冷拉拔过程组织及性能研究[J]. 王余强,刘劲松,赵天章,张士宏. 沈阳理工大学学报. 2016(05)
[7]行星轧制条件下Cu-Cr-Zr合金棒坯的裂纹研究（英文）[J]. 付亚波,崔静,曹志强. 稀有金属材料与工程. 2015(03)
[8]冷却速度对铜凝固过程中微观结构转变影响的模拟（英文）[J]. 易学华,钟庆湖,陈书汉,卜寿亮. 材料科学与工程学报. 2014(06)
[9]强变形对Cu-Cr合金组织性能的影响[J]. 宋鲁男,刘嘉斌,黄六一,曾跃武,孟亮. 金属学报. 2012(12)
[10]高速电气化铁道用CuSn合金接触线成形工艺研究[J]. 支海军,徐玉松,陆敏松,郑莉芬. 铸造技术. 2009(12)
博士论文
[1]高强高导Cu-Cr-Zr合金组织和性能的研究[D]. 潘振亚.上海交通大学 2015
[2]Cu-Cr-Zr系合金微观组织演变规律及合金元素交互作用机理的研究[D]. 彭丽军.北京有色金属研究总院 2014
硕士论文
[1]高强高导Cu-Cr-In合金的组织与性能研究[D]. 张小平.江西理工大学 2015
本文编号：3287443
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