高强高导形变cufeag原位复合材料制备技术基础

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1、上海交通大学博士学位论文高强高导形变Cu-Fe—Ag原位复合材料制备技术基础摘要高强高导形变Cu．Fe原位复合材料由于Fe纤维的强化效果好、价格低廉等优点引起各国学者的广泛关注。但Fe在Cu基体中的高温固溶度较大、低温扩散速度慢，同时固溶Fe原子对Cu基体的导电性能危害特别大，达到9．2心2‘cm／wt％Fe，导致冷拔Cu．Fe原位复合材料的电导率通常不足40％IACS。高温长时间热处理可以部分恢复材料的电导率，但材料的强度也迅速降低。因此，调控和优化Cu．Fe原位复合材料的强度和电导率匹配是研究的热点和难点。本论文研究的总体思路概括为：抑制固溶、促进析出，即通过Ag合金化手段降低高温下Fe

2、在Cu基体中的固溶度，通过研究材料的强度／电导率调控工艺促进固溶Fe的时效析出过程。基于合金元素之间的交互作用分析、第一原理的理论计算和已有相关研究，设计了实验材料成分，并应用“熔铸一冷拔”法制备了三种Cu．Fe-Ag原位复合材料：Cu一14Fe-lAg、Cu-14Fe-3Ag、Cu一11Fe一6Ag，同时制备了形变Cu．12Fe作为实验对比材料。通过x．射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(o^0、扫描电镜(SEM)、透射电镜(VE～0等结构分析手段和拉伸实验、显微硬度测量、电阻率测量等实验测试手段，系统研究了Ag在母合金凝固、冷变形以及中间热处理过程中的行为规律和作用机制，取得以下主要研究结

3、果：基于第一原理的理论计算表明，Fe原子和Ag原子在Cu基体中摘要存在竞争溶解，而Ag原子在竞争中占有优势，在由32个Cu原子组成的体系中，置换一个Fe原子和Ag原子后，系统的能量增加分别为760eV和320eV。在CIl-Fc．Ag母合金凝固过程中，Ag具有抑制高温下Fc在Cu中的溶解、促进"t-Fe从液态Cu中形核、细化丫．Fe枝晶的作用。随Ag含量提高，基体中Fc含量逐渐减少，在Cu-llFe-6Ag的基体中Fe含量仅为2．5wt％，比Cu．12Fe降低45％。参照形变Cu．Nb原位复合材料的强度计算模型，结合材料的微观结构分析，提出了形变cu．Fe．Ag原位复合材料强化机制的物理模型

4、，即材料的强度由Fe纤维的Hall．Petch强度or。一，、基体中固溶和析出的Fe的强化作用△口。一。以及合金元素Ag的强化作用A仃以组成，并建立了相应的数学模型，即：仃。；盯。一，+Aor。一。+△盯血，其中口。．，-1319xZ州2，九为纤维平均间距；△盯。一Ⅳ-57xC：／,z，Ck为基体中非纤维形态Fe的含量；当a。<饱和溶解度6％时，Ag的强化作用△∥如一100xCj7，而当‰>饱和溶解度6％时，材料中存在形变Ag纤维，此时△仃。。与应变量有关，当变形量11>5以后，Ag纤维的强化效果越来越明显，在11=6．1和7．5时，Cu-llFe-6Ag中AOr如分别达到340MPa和67

5、0MPa。应用上述模型得到的材料计算强度与测量强度基本吻合。通过形变Cu．Fe．Ag原位复合材料的强化机制分析，揭示出Ag在形变Cu-Fc-Ag原位复合材料中具有两方面的强化作用：一是其自身对基体的固溶强化、析出强化和纤维的Hall．Petch强化作用；二是由于Ag对铸态a—Fc枝晶的细化作用，致使相同应变下cu·Fc—Ag中纤维尺寸和间距明显减小，提高了Fe纤维的Hall．Petch强化作用Ⅱ上海交通大学博士学位论文or。．，，在变形量il--6．1时，由Ag引起的△仃。．，达到200MPa。研究了温度对形变cu．Fe—Ag基体微观结构的影响，发现Ag能够促进丫．Fe在Cu基体中的时效析出

6、动力学过程，降低Fe纤维的热稳定性，在3509C时效1h后cu基体中开始共格析出^r．Fe粒子。本文作者提出了Ag的作用机制：基体中先析ag粒子与Cu形成的半共格或非共格界面能量高，有利于Y．Fc在Cu／Ag界面形核；同时少量固溶Ag原子增大了基体晶格常数，提高了纤维／基体的界面能，加速了Fe原子的扩散速度。研究了温度、时间、加工应变对形变Cu．Fe．Ag力学性能和导电性能的影响规律，并提出一套新的强度／电导率调控工艺，将高低温分级时效和冷变形结合，在保证Fe充分析出的同时，最大限度地保持了材料的强度。应用该调控工艺成功制备出新型高强高导形变Cu．1lFe．6Ag原位复合材料，在应变rl=6

7、．9、7．6、8．6、9．2时，其强度／电导率分别达到1020MPa／70．5％IACS、1140MPa／68．8％IACS、1260MPa／63．8％IACS、1500MPa／53％IACS，材料的综合性能明显优于研究报导的形变Cu—Fe原位复合材料，接近形变Cu-24Ag，而原料成本仅为Cu．24Ag的1／3，显示出良好经济效益和广阔的应用前景。关键词Cu—Fc—Ag，原位复合材料，强度，电导率，热机械处