Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料組織和性能的研究

畢莉明, 劉 平, 陳小紅, 劉新寬， 李 偉， 馬鳳倉， 何代華

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093)

0 前 言

20世紀(jì)70年代以來,形變銅基原位復(fù)合材料因其高強(qiáng)高導(dǎo)的綜合性能優(yōu)勢,越來越受國內(nèi)外研究者的關(guān)注[1].現(xiàn)有的Cu-Nb、Cu-Ag、Cu-Ta等形變原位復(fù)合材料雖然具備良好的綜合性能,但Nb、Ag和Ta的價(jià)格較貴,使其廣泛應(yīng)用受到限制[2-4].Fe價(jià)格低廉,高溫組織穩(wěn)定,且Fe的剪切模量大,是一種有效的增強(qiáng)相,因此形變Cu-Fe系銅基原位復(fù)合材料已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn).

從Cu-Fe二元合金相圖可知,高溫下Fe在Cu中的溶解度約為10%～20%,如果在Cu中加入Fe的量過少,將達(dá)不到強(qiáng)化效果;加入量過多,將惡化材料的導(dǎo)電率.因此,本試驗(yàn)根據(jù)以往的研究結(jié)果,選擇Cu-15Fe作為研究對象.以往的研究表明[5],含F(xiàn)e量為17.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的形變Cu-Fe原位復(fù)合材料在400 ℃退火,銅基體就已經(jīng)發(fā)生了廣泛的再結(jié)晶,這將極大地限制材料的使用范圍.為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn),本試驗(yàn)在Cu-15Fe的基礎(chǔ)上又加入了0.1%的Zr.因?yàn)閆r和Cu在高溫下會發(fā)生反應(yīng)生成Zr和Cu的化合物,這些化合物會阻礙晶界遷移,從而能提高材料的抗軟化溫度和高溫強(qiáng)度[6].

以往對形變Cu-Fe系原位復(fù)合材料的研究主要集中在冷拔+中間退火得到的線材上[5,7],而對通過冷軋+中間退火得到的帶材的研究卻很少,采用冷拔和冷軋兩種變形方式的比較研究更是鮮見報(bào)道.因此,本文以優(yōu)化材料的綜合性能為目的,對通過冷拔和冷軋兩種變形方式制備的形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料進(jìn)行了不同溫度的退火處理,研究了不同退火溫度下的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率,并做了比較分析.

1 試驗(yàn)材料與方法

Cu-15Fe-0.1Zr中的合金元素成分為純度99.99%的陰極Cu、99.99%的工業(yè)純Fe和99.9%的工業(yè)純Zr.合金經(jīng)中頻感應(yīng)加熱的方法熔煉而成,然后澆鑄成直徑為φ81 mm、重約8 kg的圓柱形鑄錠.經(jīng)表面機(jī)械加工后,試樣直徑為φ80 mm,經(jīng)1 000 ℃熱鍛鑄件至φ20 mm,然后進(jìn)行1 000 ℃×1 h的固溶處理(水淬),而后冷拔到φ10 mm,再進(jìn)行450 ℃×1 h的中間退火.然后拉拔到φ6 mm,再將φ6 mm的棒材通過兩種變形方式變形.工藝A(拉拔變形):φ6 mm→φ5 mm→(400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃) ×1 h退火處理;工藝B(軋制變形):φ6 mm→2.56 mm→(400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃) ×1 h退火處理.退火處理在氮?dú)獗Ｗo(hù)的管式爐中進(jìn)行.冷拔和冷軋變形的試樣的應(yīng)變量η采用對數(shù)表示:η=ln(A0/Af),其中A0為試樣原始截面積,Af為試樣終了截面積.

樣品的顯微組織用掃描電子顯微鏡(JSM-5610LV)觀察.腐蝕液為濃度67%的濃硝酸,抗拉強(qiáng)度的測量在AG-I250KN型精密萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn).電阻用ZY9987型數(shù)字微歐計(jì)測試,然后換算成導(dǎo)電率.

2 微觀組織觀察和分析

形變Cu-Fe系原位復(fù)合材料在大變形時(shí)的組織演變規(guī)律與Cu-Nb系基本類似,即隨著形變量的增大,Cu基體依次形成胞狀亞結(jié)構(gòu),胞狀亞結(jié)構(gòu)與形變胞狀亞結(jié)構(gòu)的混合,最終基本上都以形變胞狀亞結(jié)構(gòu)存在[8].拉拔態(tài)的體心立方的Nb纖維的橫截面發(fā)生卷曲,呈蠕蟲狀,軋制變形的Nb纖維的橫截面較為平直,或有輕微彎曲[9].

圖1(見下頁)是形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料的SEM組織照片.圖1(a)和圖1(b)是合金的鑄態(tài)組織照片.從圖1(a)中可以看到，合金的鑄態(tài)組織為基體上(灰色)均勻分布著樹枝狀的第二相α-Fe(黑色)。圖1(b)是放大到2 000倍的鑄態(tài)組織照片,可以清晰地看到枝晶的形貌。圖1(c)和圖1(d)是通過工藝A制備的變形態(tài)組織照片；圖1(e)和圖1(f)是通過工藝B得到的變形態(tài)組織照片.比較圖1(c)和圖1(e),可以看出,通過兩種變形方式得到的Fe纖維的縱截面差別顯著,前者比后者更加均勻、連續(xù).從圖1(d)和圖1(f)的對比中可以看出,由工藝A制得材料的橫截面上的第二相Fe呈彎曲的蠕蟲狀均勻地分布在銅基體中；而由工藝B制得材料的橫截面上的第二相的分布具有方向性,呈略帶彎曲的長條狀平行于軋制方向分布在銅基體中,而且圖1(f)中Fe纖維明顯比圖1(d)中的長,而寬度正好相反,圖1(d)中的Fe纖維較寬.

圖1 Cu-15Fe-0.12Zr合金的SEM組織Fig.1 SEM microstructures of Cu-15Fe-0.12Zr alloy

3 力學(xué)性能和導(dǎo)電率

圖2是形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料經(jīng)兩種變形方式變形,在應(yīng)變量為2.77時(shí),不同退火溫度下的抗拉強(qiáng)度曲線.從圖2中可以看出,相同退火溫度下,線材的抗拉強(qiáng)度高于帶材的抗拉強(qiáng)度,且隨退火溫度升高,線材和帶材的抗拉強(qiáng)度均呈先上升而后降低的趨勢.退火前線材和帶材的抗拉強(qiáng)度分別為731 MPa和684 MPa,前者高出后者47 MPa;經(jīng)400 ℃×1 h退火后,抗拉強(qiáng)度分別升高到751 MPa和694 MPa;隨退火溫度的繼續(xù)升高,在450 ℃×1 h退火后,二者的抗拉強(qiáng)度均下降到728 MPa和681 MPa;在500 ℃×1 h退火后,二者的抗拉強(qiáng)度均下降到694 MPa和649MPa;在550 ℃退火條件下，兩種材料的抗拉強(qiáng)度下降到617 MPa和569 MPa.

圖2 形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料在應(yīng)變量η=2.77時(shí)經(jīng)不同退火溫度后的抗拉強(qiáng)度Fig.2 The tensile strength of deformation-processed Cu-15Fe-0.1Zr in-situ composites (η=2.77)

相同應(yīng)變量下,經(jīng)工藝A制備的線材要比經(jīng)工藝B制備的帶材的抗拉強(qiáng)度高,主要由于形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料基體中的Fe纖維是在大變形過程中由破碎的Fe枝晶變形而成,是一系列不連續(xù)的短纖維.拉伸時(shí),試樣首先沿著沒有纖維的銅基體開裂,然后裂紋將繞過最近的Fe纖維繼續(xù)向前擴(kuò)展.當(dāng)裂紋無法繞過Fe纖維時(shí),拉應(yīng)力增大,迫使Fe纖維斷裂以保證裂紋繼續(xù)向前擴(kuò)展,使材料最終斷裂.可見,如果銅基體中的Fe纖維十分致密,且相鄰兩片F(xiàn)e纖維之間的距離很短,則裂紋繞過Fe纖維向前擴(kuò)展的幾率也就越小,需要的拉應(yīng)力就越大,材料的抗拉強(qiáng)度就越高.在應(yīng)變量為2.77時(shí),Fe纖維已經(jīng)形成,可以用電子尺直接在橫截面SEM組織照片上量取,測量的結(jié)果見表1.可見在相同的應(yīng)變量下,拉拔變形得到的Fe纖維的密度和相鄰兩片F(xiàn)e纖維的距離都小于經(jīng)軋制變形得到的Fe纖維,所以經(jīng)工藝A制備的材料的抗拉強(qiáng)度高于經(jīng)工藝B制備的材料的抗拉強(qiáng)度.

表1 Fe纖維的平均長度和平均間距Tab.1 The average length and average distance of fibber Fe

形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料在400 ℃×1 h退火后的抗拉強(qiáng)度略有升高,這主要是因?yàn)樵?00 ℃退火時(shí),由于退火溫度不高,原子活動能力不大.此時(shí)只有空位和間隙原子等點(diǎn)缺陷轉(zhuǎn)移到晶界和位錯(cuò)處消失,或相互作用而消失,而位錯(cuò)密度下降不多,同時(shí)過飽和銅基體中的Fe大量析出,所以析出強(qiáng)化作用占主導(dǎo)地位,使得材料的抗拉強(qiáng)度升高.高于400 ℃退火時(shí),位錯(cuò)密度開始大大降低,此時(shí)析出強(qiáng)化起次要作用,抗拉強(qiáng)度降低.當(dāng)退火溫度升高到550 ℃時(shí),不但位錯(cuò)基本消失,起析出強(qiáng)化作用的Fe原子也重新回溶到銅基體中,同時(shí)起主要強(qiáng)化作用的Fe纖維也開始發(fā)生粗化、球化.此時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度與退火前相比已顯著下降,如果以抗拉強(qiáng)度下降15%的點(diǎn)為材料的抗軟化溫度點(diǎn),那么從數(shù)據(jù)中可以看出550 ℃為材料的抗軟化溫度.

圖3是形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料在應(yīng)變量為2.77時(shí),經(jīng)兩種變形方式,不同退火溫度下的導(dǎo)電率曲線.從圖中可以看出:帶材的導(dǎo)電率略高于帶材;退火后與退火前相比,線材和帶材的導(dǎo)電率均迅速升高;隨退火溫度的升高,二者的導(dǎo)電率均先逐漸升高而后下降.退火前二者的導(dǎo)電率分別為27.6%IACS和24.7%IACS；經(jīng)400 ℃×1 h退火后,二者的導(dǎo)電率分別迅速增加到41.2%IACS和39.6%IACS；退火溫度升高到500 ℃時(shí),二者的導(dǎo)電率升到50.6%IACS和49.6%IACS；當(dāng)退火溫度升高到550 ℃時(shí),二者導(dǎo)電率分別為50.0%IACS和49.6%IACS,比500 ℃時(shí)的導(dǎo)電率分別下降0.5%IACS和1.6%IACS.

圖3 形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料在應(yīng)變量η=2.77時(shí)經(jīng)不同退火溫度后的導(dǎo)電率Fig.3 The electrical conductivity of deformation-processed Cu-15Fe-0.1Zr in-situ composites (η=2.77)

形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料在應(yīng)變量為2.77時(shí),退火前與退火后相比,線材和帶材的導(dǎo)電率都急劇增加.因?yàn)樾巫僀u-Fe原位復(fù)合材料的導(dǎo)電率主要由固溶在銅基體中的Fe原子的數(shù)量所決定,固溶在銅中的Fe對銅基體導(dǎo)電率的影響為9.2 μΩ·cm/1%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),即每固溶0.1%Fe,Cu的導(dǎo)電率將降低35%IACS.退火前由于Cu中Fe原子的過飽和度較大,退火過程中,過飽和的Fe原子將大量地從Cu中析出,這將大大降低Cu的晶格畸變程度,因此,導(dǎo)電率上升顯著;從400 ℃×1 h到500 ℃×1 h退火,導(dǎo)電率逐漸升高主要是由于在相同退火時(shí)間下,溫度越高原子的擴(kuò)散能力越強(qiáng),Fe原子的析出量也就越多,空位、間隙原子和位錯(cuò)等的晶體缺陷消失得也越多.特別是溫度高于400 ℃時(shí),位錯(cuò)密度也開始下降,所以退火溫度升高,材料的導(dǎo)電率也升高.退火溫度升高到550 ℃時(shí),導(dǎo)電率不升高、反而下降可能是因?yàn)樵?50 ℃×1 h的過程中,Fe在Cu中發(fā)生回溶[10],致使導(dǎo)電率降低的緣故.相同應(yīng)變量、相同退火溫度下,經(jīng)工藝A制備的線材的導(dǎo)電率略大于經(jīng)工藝B制備的帶材的導(dǎo)電率,這可能是因?yàn)閹Р闹械腇e纖維較為寬大所致,但具體原因還有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)工藝A和工藝B制備的線材和帶材的縱截面微觀組織均為平行排列的纖維;橫截面差異明顯,線材的橫截面形貌為銅基體上均勻地分布著蠕蟲狀的第二相Fe,而帶材的橫截面組織形貌為銅基體上定向分布著與軋制方向平行的略有彎曲的長條狀第二相Fe.

(2) 相同應(yīng)變量下,經(jīng)工藝A制備的線材的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率均高于經(jīng)工藝B制備的帶材的抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率.應(yīng)變量為2.77時(shí),帶材和線材的抗拉強(qiáng)度分別為731 MPa和684 MPa,前者高出后者47 MPa,導(dǎo)電率分別為27.6%IACS和24.7%IACS.

(3) 在應(yīng)變量為2.77時(shí),經(jīng)400 ℃×1 h退火,材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值,分別達(dá)到751 MPa和694 MPa;經(jīng)500 ℃×1 h退火,材料的導(dǎo)電率達(dá)最大值,分別達(dá)到50.6%IACS和49.8%IACS.

(4) 通過抗拉強(qiáng)度的測試得出,形變Cu-15Fe-0.1Zr原位復(fù)合材料的抗軟化溫度為550 ℃.

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