简介概要

ECAP铜基原位复合材料的组织与性能研究

来源期刊：稀有金属2009年第3期

论文作者：王飞胡静魏伟魏坤霞付猛

关键词：铜基原位复合材料; ECAP; 组织; 力学性能; 电导率;

摘要：室温下采用等通道变形(ECAP)制备了 Cu-5.7%Cr原位复合材料,研究了其力学性能,电导率以及原位纤维的演变.结果表明:经过ECAP后,第二相Cr发生了旋转和伸长,逐渐演变为细小的纤维,且纤维逐渐倾向于与x轴平行.Cu-5.7%Cr合金的硬度,抗拉强度在2道次前显著增加,延伸率则迅速下降.2道次以后,硬度和抗拉强度的增加缓慢,延伸率则保持在20%左右.随着变形道次的增加,电导率逐渐降低,4道次后趋于稳定,8道次后达到80%LACS.

稀有金属 2009,33(03),338-342

ECAP铜基原位复合材料的组织与性能研究

魏伟魏坤霞付猛胡静

江苏工业学院金属材料工程系

摘要：

室温下采用等通道变形 (ECAP) 制备了Cu-5.7%Cr原位复合材料, 研究了其力学性能, 电导率以及原位纤维的演变。结果表明:经过ECAP后, 第二相Cr发生了旋转和伸长, 逐渐演变为细小的纤维, 且纤维逐渐倾向于与x轴平行。Cu-5.7%Cr合金的硬度, 抗拉强度在2道次前显著增加, 延伸率则迅速下降。2道次以后, 硬度和抗拉强度的增加缓慢, 延伸率则保持在20%左右。随着变形道次的增加, 电导率逐渐降低, 4道次后趋于稳定, 8道次后达到80%IACS。

关键词：

铜基原位复合材料;ECAP;组织;力学性能;电导率;

中图分类号： TG166.2

作者简介：魏伟 (E-mail:benjamin.wwei@163.com) ;

收稿日期：2008-06-19

基金：江苏省国际科技合作资助项目 (BZ2006018);常州市科技资助项目 (CZ2006008);

Microstructure and Properties of Copper-Based in Situ Composites by Equal Channel Angular Pressing

Abstract：

Cu-5.7%Cr in situ composite was prepared by equal channel angular pressing (ECAP) at room temperature.The formation and evolution of in situ fibre composite, mechanical and electrical properties were investigated.The results showed that the rotation and elongation of Cr phase occurred during ECAP, which gradually became fine fibre and paralleled to the axis of x.The microhardness, tensile strength increased obviously before 2 passes, while the elongation to failure decreased rapidly.The microhardness and tensile strength increased slowly after 2 passes, but the elongation to failure retained 20%.With increasing the passes of ECAP, the electrical conductivity decreased gradually, and then tended to become more stable after 4 passes, finally more than 80% IACS after 8 passes.

Keyword：

copper-based in situ composites;ECAP;microstructure;mechanical property;conductivity;

Received： 2008-06-19

铜及铜合金由于具有优良的物理和力学性能, 在电子工业等诸多领域得到广泛的应用。但是随着高科技产业的发展, 特别是微电子工业的快速发展, 对铜合金的力学性能和导电性能提出了更高的要求 ^[1,2] 。固溶强化等传统的冶金强化方法虽然可以提高强度, 但导电性能却急剧的降低。超细晶材料 (晶粒尺寸在0.1～1 μm) 具有优良的力学性能和物理性能, 可望缓解铜合金强度与导电性的对立关系。

强烈塑性变形 (Severe Plastic Deformation, SPD) 是制备超细晶材料的一种有效方法。它可以大幅度的提高材料的强度, 同时使导电性能降低不大, 是近几年研究的热点 ^[3,4,5] 。等通道变形 (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) 可以不改变材料形状, 达到很高的变形量。由于ECAP过程存在显著的剪切变形, 因此通过调整变形路径可以进行晶粒细化和组织控制, 可以获得等轴晶或纤维组织 ^[6] 。

目前, 在已经开发的形变铜基复合材料中, Cu-Nb, Cu-Ag复合材料具有良好的性能组合。但是, 较高的材料成本限制了他们的广泛应用。 Cu-Fe复合材料的价格虽然比较便宜, 但是Fe具有较大的固溶度, 严重恶化了其导电性。铜铬原位复合材料是铜基复合材料中最有价格优势的一种。同时, 由于Cr在铜中有非常小的固溶度 (最大为0.6%, 室温下为0.03%, 共晶点为1.5%) , 铬对铜基体导电性影响很小, 因而成为很有潜力的高性能铜基复合材料。通常采用拉拔、轧制等方法制备Cu-Cr形变原位复合材料 ^[7,8,9] , 通过坯料形状的改变获得大变形量, 最终制品多为线材或带材, 限制了其进一步应用。由于ECAP不改变坯料形状、尺寸, 因此坯料可以多次反复变形获得大变形量, Xu ^[3] 和顾小兰等 ^[4] 分别利用ECAP细化了Cu-0.5%Cr和Cu-3.75%Cr合金。本文采用ECAP方法制备了Cu-5.7%Cr原位复合材料, 研究ECAP过程中强度、硬度和电导率的变化规律及原位纤维的演变。

1 实验

采用无氧铜和JCr98.5-A在真空感应熔炼炉 (型号ZG-0.01) 中进行熔炼, 具体步骤: 装料 (铜料直接投入坩埚中, 加入金属Cr或中间合金) →抽真空 (<100 Pa) →充Ar气保护 (300 Pa) →加热直至铜熔化 (熔炼温度1250～1280 ℃, 保温10～15 min) →真空浇注→铸锭 (D195 mm) 。选取合适的铸锭沿纵向切割成12 mm ×12 mm ×80 mm, 在气氛炉中进行600 ℃退火, 保温1 h。

在WE-30型液压式万能试验机上, 利用自制的模具进行ECAP变形, 压下速率约0.2 mm·s^-1。 ECAP模具的内角Φ为110°, 外角Ψ为0°。采用A工艺路线对试样分别进行1, 2, 4, 8道次的变形, 每道次的真应变0.8。变形后在XJD-05型显微镜上对其进行组织观察, 腐蚀剂为8 g FeCl₃, 10 ml盐酸, 100 ml水。在FQR7501A涡流导电仪上测量电导率。在HVS-5Z型显微硬度计上进行显微硬度测试, 加载力200 g, 保持时间15 s。在日本岛津AGS-10GN电子式万能材料实验机上进行拉伸性能测试, 拉伸速率1 mm·min^-1。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

对合金铸态原始组织深度腐蚀后进行观察, 如图1 (a) 所示。根据Cu-Cr 二元合金相图 ^[10] 可知, 对于含铬量5.7%的过共晶合金, 其铸态显微组织组成为初生Cr 颗粒和 (α+Cr) 共晶组织。由于Cr在铜中的固溶度非常小, (α+Cr) 共晶体的量非常多。 Cr相以树枝状和细小的颗粒分布在Cu的基体上。 ECAP变形2, 4, 8道次后的组织如图1 (b) ～ (d) 所示。可以看到, 随着变形道次的增加, 树枝状的铬逐渐发生了变形, 主要表现为沿着剪切方向被拉长, 同时纤维与x轴的夹角θ (图1 (b) ) 逐渐减小, 并趋向于与x轴平行。 8道次后形成了细长的纤维。

在等通道变形的过程中, 由于试样发生强烈的剪切变形 (图2) , 因此, 第二相铬不仅沿着剪切的方向被拉长, 并且还发生了旋转, 如图3所示。根据Mcnelly等提出的模型 ^[11] , 一个圆形的第二相颗粒在等通道变形过程中, 发生伸长以及旋转。颗粒的最大伸长方向与试样x轴的夹角θ可以根据公式

式中γ_N为N道次ECAP变形的剪切应变 ^[6] 。

N为变形道次, γ为每一道次ECAP变形的剪切应变。

根据式 (1) 和 (2) , 当内角Φ=110°, 外角Ψ=0°时, 可以得到θ与N关系曲线如图4。可以看到预测值与实验结果吻合。在变形的初期, 由于沿着同一方向反复的发生剪切变形, θ快速下降。随着变形道次的增加, θ下降的趋势逐渐变小, 越来越平缓, 纤维趋向于与x轴方向平行, 这与实验值变化趋势是一致的。通过图4我们还可以注意到, 实验所测得θ的比预测值稍大。 8道次ECAP变形后理论计算值为5°, 实测值为5.8°, 这是因为Mcnelly模型是建立在理想的无摩擦的通道中变形的结果, 但是在实际的等通道变形过程中, 通道与试样之间的摩擦力不可能完全避免, 因此摩擦力在一定程度上影响了材料的变形流动, 从而使θ值比理论值偏大。

2.2 力学性能

2.2.1 显微硬度

图5为Cu-5.7%Cr合金ECAP过程中显微硬度的变化。可以看到, 随着ECAP变形道次的增加, 材料硬度迅速上升, 初始态的硬度为94HV。到2道次已经达到147 HV, 增加了将近一倍。 2道次后, 硬度的上升趋势逐渐变小, 逐渐趋向于饱和, 到8道次的时候基本上稳定在150 HV左右。

2.2.2 拉伸性能

图6是Cu-5.7%Cr合金经过不同ECAP变形道次后的工程应力应变曲线, 从图中可以看到, 初始态试样进行拉伸时, 试样的弹性变形在应力达到130 MPa就结束了, 之后迅速进入塑性变形阶段, 随着应变的增加, 应力不断的增大, 达到最大值后, 进入了颈缩至断裂。断裂前加工硬化十分明显。 ECAP变形后, Cu-5.7%Cr合金的屈服强度、抗拉强度比变形前显著增加, 但是几乎没有加工硬化就直接进入颈缩变形。

从图7中可以看到, ECAP变形前试样的抗拉强度很低, 不到300 MPa, 经过1道次ECAP变形, 材料的强度提高到400 MPa左右, 但是延伸率却下降了一半左右。到2道次时有所回升, 之后基本上保持不变。抗拉强度随着变形道次的增加持续上升, 到8道次的时候已经接近500 MPa。这是因为在变形的初期, 位错密度显著增加, 形变强化占主要地位。到了变形的后期, 随着变形量的增加, 组织被细化, 同时第二相界面显著增加, 细晶强化和界面强化逐渐发挥了主要的作用 ^[7] 。此外大量的第二相纤维组织开始出现, 对基体产生强化作用, 是材料强度提高的重要原因。

2.3 电导率

图8为Cu-5.7%Cr合金的电导率随ECAP变形道次的变化。可以看到, 随着ECAP变形道次的增加, 在强度和硬度增加的同时, 合金材料的电导率是一直下降的。但是下降的幅度越来越小, 到8道次时仍然保持在80%IACS以上, 并且趋向于稳定。 Xu等 ^[3] 对Cu-0.5%Cr合金6道次ECAP变形后的电导率为76%IACS, 这表明当Cr以纤维方式存在时对电导率的影响要小于固溶体对电导率的影响, 由于铜铬合金的电阻主要是由四部分组成 ^[12] :

ρ_tot=ρ_ph+ρ_imt+ρ_int+ρ_d (3)

式中, ρ_tot 是总电阻, ρ_ph是声子散射电阻, 是与温度有关的项; ρ_imt是杂质散射电阻, 它对总电阻的贡献最大; ρ_int是界面散射电阻; ρ_d是位错散射电阻。随着变形量的增加, 位错密度增加, 同时, 晶粒被细化, 形变界面增加 (由于纤维变薄和纤维间距的减少导致界面增多) 。这些都引起了电导率的下降。但是, 由于铜和铬在固态时有极小的固溶度 (室温下小于0.03%) , 第二组元引起的杂质散射电阻对总电阻的影响非常小。而且, 当电流方向与纤维排列方向一致时, 可以有效地提高材料的电导率 ^[13] 。因此, 在总电阻中, 发挥主要作用的ρ_imt变小, 从而使导电率在下降一定程度后仍然维持在较高的水平。