高強(qiáng)高導(dǎo)形變Cu-Fe-Ag原位復(fù)合材料制備技術(shù)基礎(chǔ).pdf

1、高強(qiáng)高導(dǎo)形變Cu-Fe原位復(fù)合材料由于Fe纖維的強(qiáng)化效果好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。但Fe在Cu基體中的高溫固溶度較大、低溫?cái)U(kuò)散速度慢，同時(shí)固溶Fe原子對(duì)Cu基體的導(dǎo)電性能危害特別大，達(dá)到-9.2μΩ·cm/wt﹪Fe，導(dǎo)致冷拔Cu-Fe原位復(fù)合材料的電導(dǎo)率通常不足40﹪IACS。高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理可以部分恢復(fù)材料的電導(dǎo)率，但材料的強(qiáng)度也迅速降低。因此，調(diào)控和優(yōu)化Cu-Fe原位復(fù)合材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率匹配是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2、 本論文研究的總體思路概括為：抑制固溶、促進(jìn)析出，即通過(guò)Ag合金化手段降低高溫下Fe在Cu基體中的固溶度，通過(guò)研究材料的強(qiáng)度/電導(dǎo)率調(diào)控工藝促進(jìn)固溶Fe的時(shí)效析出過(guò)程?；诤辖鹪刂g的交互作用分析、第一原理的理論計(jì)算和已有相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)材料成分，并應(yīng)用“熔鑄-冷拔”法制備了三種Cu-Fe-Ag原位復(fù)合材料：Cu-14Fe-1Ag、Cu-14Fe-3Ag、Cu-11Fe-6Ag，同時(shí)制備了形變Cu-12Fe作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比材料。

3、通過(guò)X-射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等結(jié)構(gòu)分析手段和拉伸實(shí)驗(yàn)、顯微硬度測(cè)量、電阻率測(cè)量等實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，系統(tǒng)研究了Ag在母合金凝固、冷變形以及中間熱處理過(guò)程中的行為規(guī)律和作用機(jī)制，取得以下主要研究結(jié)果： 基于第一原理的理論計(jì)算表明，F(xiàn)e原子和Ag原子在Cu基體中存在競(jìng)爭(zhēng)溶解，而Ag原子在競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)，在由32個(gè)Cu原子組成的體系中，置換一個(gè)Fe原子和Ag原子后，系統(tǒng)的能量增加分

4、別為760eV和320eV。 在Cu-Fe-Ag 母合金凝固過(guò)程中，Ag具有抑制高溫下Fe在Cu中的溶解、促進(jìn)γ-Fe 從液態(tài) Cu 中形核、細(xì)化γ-Fe 枝晶的作用。隨Ag 含量提高，基體中 Fe 含量逐漸減少，在 Cu-11Fe-6Ag 的基體中Fe 含量?jī)H為 2.5wt﹪，比 Cu-12Fe降低45﹪。 參照形變 Cu-Nb 原位復(fù)合材料的強(qiáng)度計(jì)算模型，結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析，提出了形變 Cu-Fe-Ag 原位復(fù)

5、合材料強(qiáng)化機(jī)制的物理模型，即材料的強(qiáng)度由 Fe 纖維的 Hall-Petch 強(qiáng)度σ<,H-P>、基體中固溶和析出的 Fe 的強(qiáng)化作用Δσ<,Fe-M> 以及合金元素 Ag 的強(qiáng)化作用Δσ<,Ag>組成，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即：σ<,C>=σ<,H-P>+Δσ<,Fe-M>+Δσ<,Ag>，其中σ<,H-P>=1319×λ<'-1/2>，λ為纖維平均間距；Δσ<,Fe-M>=57×C<'1/2><,Fe>,C<,Fe>為基體中非纖維

6、形態(tài) Fe 的含量；當(dāng)C<,Ag><飽和溶解度6﹪時(shí)，Ag 的強(qiáng)化作用Δσ<,Ag>=100×C<'1/2><,Ag>，而當(dāng)C<,Ag>飽和溶解度 6﹪時(shí),材料中存在形變 Ag纖維,此時(shí)Δσ<,Ag>與應(yīng)變量有關(guān),當(dāng)變形量η>5以后,Ag 纖維的強(qiáng)化效果越來(lái)越明顯,在η=6.1 和 7.5時(shí),Cu-11Fe-6Ag中Δσ<,Ag> 分別達(dá)到340MPa和670MPa。應(yīng)用上述模型得到的材料計(jì)算強(qiáng)度與測(cè)量強(qiáng)度基本吻合。 通過(guò)形變

7、 Cu-Fe-Ag 原位復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制分析，揭示出 Ag在形變 Cu-Fe-Ag 原位復(fù)合材料中具有兩方面的強(qiáng)化作用：一是其自身對(duì)基體的固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和纖維的 Hall-Petch 強(qiáng)化作用；二是由于Ag對(duì)鑄態(tài)a-Fe枝晶的細(xì)化作用，致使相同應(yīng)變下Cu-Fe-Ag中纖維尺寸和間距明顯減小，提高了Fe纖維的Hall-Petch強(qiáng)化作用σ<,H-P>,在變形量η=6.1時(shí)，由Ag引起的△σ<,H-P>達(dá)到200MPa。 研

8、究了溫度對(duì)形變Cu-Fe-Ag基體微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)Ag能夠促進(jìn)γ-Fe在Cu基體中的時(shí)效析出動(dòng)力學(xué)過(guò)程，降低Fe纖維的熱穩(wěn)定性，在350℃時(shí)效1h后Cu基體中開(kāi)始共格析出γ-Fe粒子。本文作者提出了Ag的作用機(jī)制：基體中先析Ag粒子與Cu形成的半共格或非共格界面能量高，有利于γ-Fe在Cu/Ag界面形核；同時(shí)少量固溶Ag原子增大了基體晶格常數(shù)，提高了纖維/基體的界面能,加速了Fe原子的擴(kuò)散速度。 研究了溫度、時(shí)間、加工應(yīng)變對(duì)

9、形變Cu-Fe-Ag力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的影響規(guī)律，并提出一套新的強(qiáng)度/電導(dǎo)率調(diào)控工藝，將高低溫分級(jí)時(shí)效和冷變形結(jié)合，在保證Fe充分析出的同時(shí),最大限度地保持了材料的強(qiáng)度。應(yīng)用該調(diào)控工藝成功制備出新型高強(qiáng)高導(dǎo)形變Cu-11Fe-6Ag原位復(fù)合材料，在應(yīng)變?chǔ)?6.9、7.6、8.6、9.2時(shí)，其強(qiáng)度/電導(dǎo)率分別達(dá)到1020MPa/70/5﹪IACS、1140MPa/68.8﹪IACS、1260MPa/63.8﹪IACS、1500MPa/53