高強高導形變Cu-Fe-Ag原位復合材料制備技術基礎.pdf

1、高強高導形變Cu-Fe原位復合材料由于Fe纖維的強化效果好、價格低廉等優(yōu)點引起各國學者的廣泛關注。但Fe在Cu基體中的高溫固溶度較大、低溫擴散速度慢，同時固溶Fe原子對Cu基體的導電性能危害特別大，達到-9.2μΩ·cm/wt﹪Fe，導致冷拔Cu-Fe原位復合材料的電導率通常不足40﹪IACS。高溫長時間熱處理可以部分恢復材料的電導率，但材料的強度也迅速降低。因此，調控和優(yōu)化Cu-Fe原位復合材料的強度和電導率匹配是研究的熱點和難點。

2、 本論文研究的總體思路概括為：抑制固溶、促進析出，即通過Ag合金化手段降低高溫下Fe在Cu基體中的固溶度，通過研究材料的強度/電導率調控工藝促進固溶Fe的時效析出過程?；诤辖鹪刂g的交互作用分析、第一原理的理論計算和已有相關研究，設計了實驗材料成分，并應用“熔鑄-冷拔”法制備了三種Cu-Fe-Ag原位復合材料：Cu-14Fe-1Ag、Cu-14Fe-3Ag、Cu-11Fe-6Ag，同時制備了形變Cu-12Fe作為實驗對比材料。

3、通過X-射線衍射儀(XRD)、光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等結構分析手段和拉伸實驗、顯微硬度測量、電阻率測量等實驗測試手段，系統(tǒng)研究了Ag在母合金凝固、冷變形以及中間熱處理過程中的行為規(guī)律和作用機制，取得以下主要研究結果： 基于第一原理的理論計算表明，Fe原子和Ag原子在Cu基體中存在競爭溶解，而Ag原子在競爭中占有優(yōu)勢，在由32個Cu原子組成的體系中，置換一個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 母合金凝固過程中，Ag具有抑制高溫下Fe在Cu中的溶解、促進γ-Fe 從液態(tài) Cu 中形核、細化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 含量僅為 2.5wt﹪，比 Cu-12Fe降低45﹪。 參照形變 Cu-Nb 原位復合材料的強度計算模型，結合材料的微觀結構分析，提出了形變 Cu-Fe-Ag 原位復

5、合材料強化機制的物理模型，即材料的強度由 Fe 纖維的 Hall-Petch 強度σ<,H-P>、基體中固溶和析出的 Fe 的強化作用Δσ<,Fe-M> 以及合金元素 Ag 的強化作用Δσ<,Ag>組成，并建立了相應的數學模型，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C<,Ag><飽和溶解度6﹪時，Ag 的強化作用Δσ<,Ag>=100×C<'1/2><,Ag>，而當C<,Ag>飽和溶解度 6﹪時,材料中存在形變 Ag纖維,此時Δσ<,Ag>與應變量有關,當變形量η>5以后,Ag 纖維的強化效果越來越明顯,在η=6.1 和 7.5時,Cu-11Fe-6Ag中Δσ<,Ag> 分別達到340MPa和670MPa。應用上述模型得到的材料計算強度與測量強度基本吻合。 通過形變

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

8、究了溫度對形變Cu-Fe-Ag基體微觀結構的影響，發(fā)現Ag能夠促進γ-Fe在Cu基體中的時效析出動力學過程，降低Fe纖維的熱穩(wěn)定性，在350℃時效1h后Cu基體中開始共格析出γ-Fe粒子。本文作者提出了Ag的作用機制：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；同時少量固溶Ag原子增大了基體晶格常數，提高了纖維/基體的界面能,加速了Fe原子的擴散速度。 研究了溫度、時間、加工應變對

9、形變Cu-Fe-Ag力學性能和導電性能的影響規(guī)律，并提出一套新的強度/電導率調控工藝，將高低溫分級時效和冷變形結合，在保證Fe充分析出的同時,最大限度地保持了材料的強度。應用該調控工藝成功制備出新型高強高導形變Cu-11Fe-6Ag原位復合材料，在應變η=6.9、7.6、8.6、9.2時，其強度/電導率分別達到1020MPa/70/5﹪IACS、1140MPa/68.8﹪IACS、1260MPa/63.8﹪IACS、1500MPa/53