多元合金化Cu-Fe原位復(fù)合材料的組織和性能研究.pdf

1、形變Cu-Fe原位復(fù)合材料由于Fe纖維強(qiáng)化效果好且價格低廉等優(yōu)點(diǎn)一直受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。但由于Fe在Cu基體中的高溫固溶度大，低溫擴(kuò)散速度慢，導(dǎo)致過量Fe原子固溶在Cu基體中，從而危害復(fù)合材料導(dǎo)電率。因此，如何促進(jìn)Cu基體中Fe原子的析出并優(yōu)化Cu-Fe原位復(fù)合材料強(qiáng)度和導(dǎo)電率的匹配是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對這些問題，本文結(jié)合國內(nèi)外高強(qiáng)高導(dǎo)Cu基原位復(fù)合材料研究現(xiàn)狀，通過多元合金化的方式來抑制基體中Fe原子的固溶，促進(jìn)Fe原

2、子的析出，并分析合金元素對復(fù)合材料的作用機(jī)制。
　　本文采用的技術(shù)路線如下:首先采用CALPHAD(Calculation of PhaseDiagram)相圖計算技術(shù)對所研究的Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P系合金進(jìn)行相平衡熱力學(xué)計算，指導(dǎo)合金成分設(shè)計和熱處理工藝;其次利用熔鑄法和冷拉拔變形工藝制備不同成分的Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P系原位復(fù)合材料，研究Ag和P對Cu-Fe原位復(fù)合材料組織和性能的影響;最后通過

3、均勻化熱處理和時效熱處理來研究熱處理工藝對Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P原位復(fù)合材料的組織和性能的影響，并分析Ag和P在熱處理過程中的作用機(jī)制。實(shí)驗(yàn)中采用X-射線衍射儀(XRD)，光學(xué)顯微鏡(OM)，掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)等結(jié)構(gòu)分析手段和拉伸實(shí)驗(yàn)，電阻率測量實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了Ag和P對Cu-Fe原位復(fù)合材料組織和性能的影響，獲得到如下結(jié)論:
　　Cu-Fe-Ag三元體系相圖熱力學(xué)計算結(jié)果表明，A

4、g能降低Fe在Cu中的最大固溶度，起到抑制Fe的固溶作用。隨著Ag含量增加，F(xiàn)e在Cu中的最大固溶度逐漸減小;在500℃，Cu-Fe-Ag富Cu角開始析出平衡相α-Fe，800℃時富Cu角開始出現(xiàn)液相;Ag能使Cu-Fe熔體形成溶混間隙，隨Ag含量增加，溶混間隙向高溫方向擴(kuò)大;Cu-Fe-Ag-P系熱力學(xué)相圖計算結(jié)果表明，P＜0.1at.％，在300℃～700℃范圍，Cu-Fe-Ag富Cu角可以形成FeP，F(xiàn)e2P，F(xiàn)e3P和Cu3P相

5、。
　　Ag能細(xì)化初生Fe枝晶，隨Ag含量增加，初生枝晶更細(xì)，但Ag＞1％后細(xì)化效果不明顯。揭示了初生枝晶細(xì)化機(jī)理是Ag能降低Cu/Fe之間的界面能，促進(jìn)γ-Fe粒子的形核，增大形核速率。變形組織中，Cu-Fe-Ag復(fù)合材料更容易形成纖維結(jié)構(gòu)組織。在變形程度相同的條件下，隨著Ag含量增加，纖維厚度和間距越小。
　　對形變Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-Ag-P原位復(fù)合材料的強(qiáng)度進(jìn)行分析，揭示了形變Cu-Fe-Ag和Cu-Fe-

6、Ag-P原位復(fù)合材料多元多尺度強(qiáng)化機(jī)制:首先是變形過程中形成的Fe纖維對復(fù)合材料的強(qiáng)化，即σfilament，纖維對復(fù)合材料的強(qiáng)化作用滿足Hall-Peteh公式，其次是基體中固溶的Fe原子和Ag原子對基體的強(qiáng)化作用，即σFe和σAg，最后是Cu-Fe-Ag-P基體上析出粒子的強(qiáng)化，即σprecipitate，析出粒子強(qiáng)化滿足Orowan強(qiáng)化機(jī)制。根據(jù)這些物理模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了合金元素Ag和P對復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制模型，即σC=σf

7、ilament+σAg+σFe+(σPrecipitate)其中，σfilament=1002×λ-1/2△σFe=57× C1/2△σAg=98×C2/3△σPrecipiate=0.84MGb(1-v)-1/2/2πL lnr/b
　　通過均勻化熱處理細(xì)化了合金鑄態(tài)組織，促進(jìn)2次Fe粒子和納米粒子析出。隨著Ag含量增加，初生枝晶尺寸更小。大變形條件下，均勻化熱處理的復(fù)合材料能獲得更高的強(qiáng)度，其來源于變形過程中形成細(xì)小的纖維引起

8、的界面強(qiáng)化。均勻化熱處理使Ag抑制了Fe在Cu中重新溶解，促進(jìn)了大量二次Fe粒子的析出，減少了雜質(zhì)原子散射，使復(fù)合材料導(dǎo)電率提高4-5％IACS。
　　中間時效熱處理使Cu-Fe-Ag基體析出大量納米α-Fe粒子，大小約為20nm，導(dǎo)致三次中間時效熱處理后復(fù)合材料導(dǎo)電率提高近20％IACS。時效過程中Ag加速了Fe原子的形核和析出，但Ag的存在降低了纖維熱穩(wěn)定性，使部分Fe纖維發(fā)生開裂。最終的時效熱處理導(dǎo)致Cu-Fe-Ag-P復(fù)合

9、材料基體析出大量的納米Fe3P粒子(50nm)和球形α-Fe粒子(20nm)，這些粒子的析出使復(fù)合材料導(dǎo)電率提高約18％IACS。時效過程中基體發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，使復(fù)合材料強(qiáng)度有所下降。
　　通過同步輻射反常X射線小角散射對等溫時效過程中Cu-0.6Fe和Cu-0.6Fe-0.5Ag(at.％)合金中Fe粒子的析出行為進(jìn)行實(shí)時觀測，獲得了α-Fe粒子析出動力學(xué)方程:R1=0.08t1/2和R2=0.09t1/2。動力學(xué)方程表明，