李瑞卿,增祥云，張 毅,許倩倩

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

0 前 言

由于Cu-Cr-Zr合金具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率和良好的導(dǎo)熱性能等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電力、電子和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域,可用作熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)[1]偏濾器垂直靶散熱片、集成電路引線框架材料[2-3]、電氣工程開關(guān)觸橋、熱交換材料[4]、連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯、電車和電力機(jī)車架空導(dǎo)線[5]、高脈沖磁場(chǎng)導(dǎo)體材料以及電氣化高速鐵路用接觸材料[6-7]等.近年來,國內(nèi)對(duì)Cu-Cr-Zr合金已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,并取得了顯著成果,但主要集中于合金的強(qiáng)化方式方面[8-10].然而,通過熱壓縮力學(xué)行為對(duì)其熱塑性的研究卻少有報(bào)道.

本文針對(duì)Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金,探索其高溫?zé)釅嚎s力學(xué)行為,研究其流變應(yīng)力與變形溫度、變形量及變形速度之間的關(guān)系,可為熱加工工藝的制定提供理論指導(dǎo).

1 試 驗(yàn)

合金采用純度為99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的標(biāo)準(zhǔn)陰極銅、99.5%Cr、99.5%Zr和99.5%Ce為原材料,在ZG-0.01型真空中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉而成,其最終化學(xué)成分為Cu-0.40Cr-0.15Zr-0.05Ce.合金在1 200～1 250 ℃澆鑄成型后,經(jīng)950 ℃×1 h固溶處理,隨后加工成直徑為8 mm、長度為12 mm的圓柱體,將其在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為600～800 ℃,應(yīng)變速率為0.01～5 s-1,總壓縮應(yīng)變量約為0.5(真應(yīng)變).顯微組織觀察在OLYMPUS PMG3型顯微鏡上進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)合金流變應(yīng)力分析

2.1.1 溫度對(duì)試驗(yàn)合金流變應(yīng)力的影響

圖1為試驗(yàn)合金在不同應(yīng)變速率下的熱壓縮變形真應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖1中可以看出,高溫下流變應(yīng)力先隨應(yīng)變的增加迅速增大,這是由于變形初期為顆粒的滑動(dòng)和塑性變形,晶粒內(nèi)部位錯(cuò)急劇增加,加工硬化程度不斷加大.隨著變形的繼續(xù),位錯(cuò)密度達(dá)到一定程度后,變形產(chǎn)生的位錯(cuò)在高溫下可獲得足夠的能量進(jìn)行滑移和攀移,使得在滑移面上不規(guī)則的位錯(cuò)重新分布,異號(hào)位錯(cuò)相互抵消,刃型位錯(cuò)垂直排列成墻,從而顯著地降低位錯(cuò)的彈性畸變能[11].當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)展到一定程度時(shí),晶粒內(nèi)部被位錯(cuò)墻分割成許多完整的亞晶,發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù).因此,流變應(yīng)力的增幅隨應(yīng)變量的增加而減小,即曲線斜率快速減小.在更高溫度下,位錯(cuò)達(dá)到發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界密度時(shí),在高畸變區(qū)域,無畸變的晶核開始形成和長大,并替代含有高位錯(cuò)密度的變形晶粒,發(fā)生再結(jié)晶,流變應(yīng)力降低,最后加工硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制處于動(dòng)態(tài)平衡,曲線趨于平穩(wěn).

比較圖1中的四幅圖可以看出,隨著應(yīng)變的增加,流變應(yīng)力出現(xiàn)兩種類型,一種是在較低溫度,如650 ℃下,曲線先增加隨后趨于平緩,即動(dòng)態(tài)回復(fù)型;另一種是在800 ℃低應(yīng)變速率0.01 s-1下曲線先增加,隨后出現(xiàn)峰值,最后趨于平緩,屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型.總的來說在該試驗(yàn)條件下,該合金是熱敏感性合金[12].

圖1 熱壓縮變形真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.2 應(yīng)變速率對(duì)試驗(yàn)合金流變應(yīng)力的影響

圖2為試驗(yàn)合金在不同溫度下的熱壓縮變形真應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

圖2 不同溫度下熱壓縮變形真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)合金在高溫變形時(shí),分為非穩(wěn)態(tài)變形和穩(wěn)態(tài)變形兩個(gè)階段.在非穩(wěn)態(tài)階段,位錯(cuò)的交滑移引起的軟化作用不足以補(bǔ)償位錯(cuò)密度的增加而引起的強(qiáng)化;隨著變形量的增大,位錯(cuò)重新分布,在晶粒內(nèi)部形成亞晶,在高畸變區(qū),開始形成無畸變的晶核,晶核長大取代具有高位錯(cuò)密度的變形晶粒,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,軟化作用顯著,當(dāng)軟化與硬化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段.隨著應(yīng)變速率的增加,平衡位錯(cuò)濃度提高,從而提高了合金變形時(shí)的臨界分切應(yīng)力,此時(shí)只有提高變形溫度才能提供更大的軟化速率去平衡因應(yīng)變速率的增加而引起的硬化速率的增大.所以,隨著應(yīng)變速率的增加,以相同應(yīng)變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段的變形溫度也同時(shí)升高.

800 ℃高溫下,試驗(yàn)合金在變形程度較小的情況下進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變,此時(shí)應(yīng)變速率較高,如圖2(b)所示。這是因?yàn)樽冃螠囟葘?duì)應(yīng)變速率的補(bǔ)償作用顯著,能使合金較早地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段;當(dāng)變形溫度較低時(shí),如600 ℃,合金進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形所需的變形程度較大,這是由于變形溫度對(duì)應(yīng)變速率的補(bǔ)償作用不明顯.此外,當(dāng)應(yīng)變速率小于0.1時(shí),合金進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變所需的變形量最小.

2.2 試驗(yàn)合金高溫壓縮過程中組織演變

圖3為試驗(yàn)合金在溫度為600～800 ℃、應(yīng)變速率為0.01～5 s-1下的顯微組織照片.

圖3 不同溫度和應(yīng)變速率下熱壓縮時(shí)的顯微組織

3 結(jié) 論

(1) Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金在變形溫度為600～800 ℃、應(yīng)變速率為0.01～5 s-1的試驗(yàn)條件下,當(dāng)溫度一定時(shí),合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而升高;應(yīng)變速率相同時(shí),合金的流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低,說明在該試驗(yàn)條件下,合金具有正的應(yīng)變速率敏感性.

(2) 變形溫度越高,應(yīng)變速率越低,Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是熱變形過程中的主要軟化機(jī)制.

參考文獻(xiàn):

[1] Mitchell N.Conductor designs for the ITER toroidal and poloidal magnet systems[J].JNuclMater,1994(3):212-215.

[2] 趙冬梅,董企銘,劉平,等.銅合金引線框架材料的發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2001,15(5):25-27.

[3] 于朝清.引線框架用高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料[J].電工材料,2005(2):33-37.

[4] 金恒閣,宋斌,于立波,等.Cu-Ti-Sn-Cr結(jié)晶器銅套的研制明[J].特種鑄造及有色合金,2001,21(6):39-40.

[5] He D H,Manory R R,Grady N.Wear of railway contact wires against current collector materials[J].Wear,1998,215:146-155.

[6] 劉平.高性能銅合金的熱處理及其加工技術(shù)[J].金屬熱處理,2005,30(增刊):1-7.

[7] Zhao Dongmei,Dong Qiming,Liu Ping,etal.Aging transformation in Cu-3.2Ni-0.75Si alloy[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2003,13(2):258-261.

[8] 趙美,林國標(biāo),王自東,等.Cu-Cr-Zr-Si合金的時(shí)效析出行為研究[J].熱加工工藝,2008,37(16):31-33.

[9] 馬旭,王順興,劉勇,等.變形量對(duì)Cu-Cr-Zr合金等溫時(shí)效動(dòng)力學(xué)的影響[J].熱加工工藝,2009,38(8):10-12.

[10] 溫盛發(fā),周海濤,劉克明,等.Cu-1.0Cr-0.2Zr合金的時(shí)效析出研究[J].熱加工工藝,2010,39(12):113-122.

[11] 范莉,劉平,賈淑果,等.集成電路用Cu-Ni-Si-Cr合金流變應(yīng)力行為研究[J].特種鑄造及有色合金,2009,29(3):283-285.

[12] 易丹青,楊伏良.6013 鋁合金熱變形行為及力學(xué)性能研究[C]//LW2007 鋁型材技術(shù)(國際) 論壇文集.廣州:廣東省有色金屬學(xué)會(huì)加工學(xué)術(shù)委員會(huì),2007:123-127.

[13] Mcqueen H J,Yue S,Ryan N D,etal.Hot working characteristics of steels in austenitic state[J].MaterProcessTechnol,1995,53:293-301.