超细晶Cu-Cr-Zr合金的制备与高温变形研究

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Cu-Cr-Zr合金是一类时效强化型高强高导铜合金,由于其良好的综合性能,使其在机械、国防和电子等诸多领域都有着广泛的应用。超细晶(UFG)Cu-Cr-Zr合金相较于常规Cu-Cr-Zr合金具有优良的机械性能,是适应工业发展和需求的一种高强新型材料。本文利用Instron8801拉伸疲劳试验机、OM、SEM、TEM等多种分析与观察手段研究了等通道转角挤压(Equal-channel Angular Pressing, ECAP)制备的超细晶Cu-Cr-Zr合金高温拉伸与高温疲劳性能。本文将ECAP工艺与时效热处理结合成两种不同的加工工艺,制备了超细晶Cu-Cr-Zr合金。经ECAP挤压8道次后形成了均匀的等轴晶结构,平均晶粒尺寸约为200nm,晶粒明显细化。两种加工工艺后超细晶Cu-Cr-Zr合金的软化温度均为550℃。通过金相组织观察,微观结构的变化趋势与硬度的变化趋势相同。ECAP与热处理结合可以显著改善合金的力学性能和导电性能,合金经ECAP工艺连续挤压8道次后420℃时效3h,合金的硬度、抗拉强度和伸长率达到249.15HV、623.1MPa和12.3%,电导率达到85.34%IACS。合金获得细小弥散分布的析出相,析出相对位错的钉扎作用也为合金性能的提升做出了贡献。通过合金在200℃~600℃条件下的拉伸性能测试发现,在相同温度条件下,8Bc+时效处理的合金表现出更高的抗拉强度,而其延伸率除了600℃条件以外,均低于4Bc+时效+4Bc处理的合金。前者当温度在400℃及以上时变化幅度较大,600℃时合金的抗拉强度为65.2MPa,延伸率为162.04%;后者在300℃及以上时变化幅度较大,600℃时合金的抗拉强度仅为59.12MPa,而延伸率为145%。两种加工工艺处理后Cu-Cr-Zr合金不同试验温度下的拉伸断口特征相似,均为深浅不同的韧窝,除了600℃时韧窝密度相比4Bc+时效+4Bc处理合金较大,其它温度条件下均较小。当温度升高到600℃时,断口呈现出大量的等轴状韧窝,韧窝内壁出现新的小韧窝。研究8Bc+时效处理后Cu-Cr-Zr合金在不同温度条件下的疲劳性能发现,随着应力幅的上升,不同试验温度下合金的断裂疲劳周次都在下降,而且随着试验温度的升高,合金的疲劳极限先增大后减小。由于回复的作用,300℃时合金的疲劳极限最大,为241.49MPa,比室温条件下合金的疲劳极限提高28.6%,400℃时合金疲劳极限下降幅度较大,相比室温条件下降25%,相比300℃条件下降41.6%。通过36MPa~360MPa应力范围加载条件下不同温度疲劳循环变形后的断口形貌,随着温度的升高,疲劳裂纹扩展区变小,在400℃时,已观察不到裂纹扩展区。合金断口的微观组织主要为细小的韧窝。随着温度的升高,韧窝沿拉伸方向伸展长大,分布变得较为均匀,孔洞加深,韧窝内壁出现新的小韧窝,塑性特征明显。在300℃时,断口呈现大量剪切唇,垂直于加载方向,这是由于微裂纹自裂纹源逐渐扩展造成。
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