【摘 要】
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由于具有优异的强度、导电性、导热性和耐腐蚀等性能,作为结构功能一体化材料的铜合金广泛应用于社会的各个领域。近年来,沉淀强化型Cu-Cr-Zr合金因其优异的强度和导电性而广受关注。然而,强度和导电性是一对相互矛盾的性能,其本质上是此消彼长的,在铜合金强度提高的同时会使其导电性下降。因此,如何在尽可能小地影响导电性和导热性的前提下,大幅度提高铜合金的强度是现代铜合金产业发展的重要研究方向。本文以Cu-
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由于具有优异的强度、导电性、导热性和耐腐蚀等性能,作为结构功能一体化材料的铜合金广泛应用于社会的各个领域。近年来,沉淀强化型Cu-Cr-Zr合金因其优异的强度和导电性而广受关注。然而,强度和导电性是一对相互矛盾的性能,其本质上是此消彼长的,在铜合金强度提高的同时会使其导电性下降。因此,如何在尽可能小地影响导电性和导热性的前提下,大幅度提高铜合金的强度是现代铜合金产业发展的重要研究方向。本文以Cu-Cr-Zr系合金为主要研究对象,探究了合金化Mg与Nb元素对铜合金的组织与性能的影响,并通过低温轧制工艺进一步优化了铜合金的组织与性能并对其强化机理进行了深入分析。本文首先通过两步轧制（室温、低温）时效工艺制备Cu-Cr-Zr与Cu-Cr-Zr-Mg合金板材,分析了低温轧制及合金化Mg元素对其微观组织及性能的影响。在两步低温轧制-时效Cu-Cr-Zr-Mg样品中,变形带与变形孪晶束宽度仅为92 nm与23 nm,分别比两步室温轧制-时效Cu-Cr-Zr样品减小了11.5%和34%。Cu-Cr-Zr-Mg样品经过时效处理后,形成了大量的纳米级Cr析出相（5.9 nm）,分布于晶内与晶界处,有效地强化了合金的力学性能并优化了电导率。最终获得了兼具变形孪晶、纳米析出相、高密度位错的混合组织,使合金获得了优异的综合性能。经过两步室温轧制-时效Cu-Cr-Zr样品的抗拉强度为594 MPa,电导率为81.48%IACS。相比于两步室温轧制,经过两步低温轧制-时效,并添加合金化Mg元素,Cu-Cr-Zr-Mg样品的抗拉强度可达629 MPa,其强度提高了35MPa;电导率为79.66%IACS,仅下降了1.82%IACS。对Cu-Cr-Zr-Mg样品的进行了摩擦磨损试验,分析表明磨粒磨损与粘着磨损是合金在铸态时的主要磨损方式,经过轧制-时效处理之后,合金的磨粒磨损得到改善,疲劳磨损加剧。通过合金化Nb元素并结合两步低温轧制工艺制备Cu-Cr-Zr-Nb板材,探究了Nb元素在其内部的存在形式并对Cu-Cr-Zr-Nb合金板材的组织性能进行了分析表征。在两步低温轧制-时效的Cu-Cr-Zr-Nb样品中,在微米尺度获得了均匀分布的微米Cr与Cr2Nb颗粒,在纳米尺度观察到了Cr2Nb相,获得了细小的纳米Cr析出相（约6 nm）。对样品中Cr析出相的结构进行分析,发现在不同时效时间条件下,在其内部存在着面心立方（fcc）结构与体心立方（bcc）结构的Cr析出相。两步低温轧制态Cu-Cr-Zr-Nb合金的抗拉强度高达740 MPa,电导率为58.15%IACS。短时时效后（30 min）,合金的抗拉强度为700 MPa,电导率则快速提升至73.29%IACS。长时间时效后（300 min）,合金样品获得了优异的综合性能,在电导率达到80%IACS左右的同时,屈服强度高达606MPa,抗拉强度和硬度分别为646 MPa和212.1 HV。由于时效过后合金强度的提升和合金中第二相颗粒形貌和分布的优化,Cu-Cr-Zr-Nb合金耐磨性也得到了提升。
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