高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金时效析出特性及热力加工行为研究

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中文摘要：铜铍合金以其高强度、硬度、弹性、优良的耐磨耐蚀性及优异的导电性和良好的抗疲劳性能，广泛应用于现代电子工业中。但是，铜铍合金在制备和加工中产生的含铍氧化物，危害人们健康和环境。因此，开发绿色环保型高强度导电铜合金有着重要的工程意义。Cu-Ti合金机械、高温等性能均优于Cu-Be合金，成为可替代Cu-Be合金的理想材料。但是，Cu-Ti合金差的导电性能限制了其广泛应用。因此，在不损害Cu-Ti合金优良力学性能的前提下，如何提高合金的导电率成为目前亟待解决的关键问题。本文采用多元合金化的方法制备了一种环境友好型高强度导电Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金，系统研究了形变热处理工艺参数对合金组织与性能的影响，明晰了合金时效处理过程中沉淀相的时效析出特性，并基于高温热压缩模拟实验阐明了合金高温流变行为和动态再结晶行为。固溶态Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金经50%冷轧变形后，在不同温度保温相同时间时效处理后发现，时效温度在500～600℃范围内，析出相尺寸较小，呈长条状及球形状，Cu基体中晶界受到析出相的钉扎，再结晶受到抑制。时效温度在700-800℃范围内，Cu基体中的析出相体积分数升高，且析出相尺寸明显增大。因此，随着时效处理温度的升高，大角晶界增加，小角晶界减少，Cu基体中再结晶体积分数增加。此外，在相同的时效温度下，随着时效时间的延长，合金基体中析出相出现粗化。经800℃/2h均匀化处理，800℃/4h固溶处理，冷轧变形90%和500℃保温30min时效处理后，获得了综合性能优异的Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金，抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度和导电率分别为615MPa、51OMPa、25.1%、268HV和33.7g%IACS。基于Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金导电率的变化规律，利用时效处理过程中导电率与第二析出相体积分数的关系，构建了Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金的Avrarmi相变动力学方程和导电率方程，可预测不同热处理工艺下合金析出相体积分数和导电率大小。过饱和固溶体经500℃保温120min后，铜基体中析出呈垂直分布的棒状Ni3Ti相及不规则颗粒状Ni3Si相，其中Ni3Ti相属于六方晶系，而Ni3Si相属于单斜晶系。时效时间延长至300min，铜基体中析出球状Ni2Si相，Ni2Si相属于正交晶系。随着变形量的增加，基体中析出纳米级球状Ni2Si相，当Ni2Si相尺寸大于4.68nm后，Ni2Si相与基体之间的共格关系转变为半共格关系。棒状Ni3Ti相尺寸随着变形量的增加而变大，且部分棒状Ni3Ti相转变为颗粒状Ni3Ti相。第一性原理计算结果表明，Ni3Ti、Ni3Si和Ni2Si相的形成焓分别是-0.5419eV/atom、-0.4607eV/atom和-0.6175eV/atom，说明Ni3Ti、Ni3Si和Ni2Si相的形成能力大小为：Ni2Si＞Ni3Ti＞Ni3Si。Ni3Ti、Ni3Si和Ni2Si相的结合能分别是-5.2011eV/atom、-4.8774eV/atom及-5.0548eV/atom，说明Ni3Ti、Ni3Si和Ni2Si相的稳定性大小为：Ni3Ti＞Ni2Si＞Ni3Si。基于高温热压缩模拟实验，发现Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金峰值应力随着热压缩过程中变形温度的升高而减小，随着应变速率的增大而增大，并建立了合金在热加工过程中应力应变关系的本构方程，可预测不同热加工工艺参数下的流变应力，在此基础上绘制了合金热加工图，确定了最佳的热加工工艺为750～810℃/0.1s-1。热加工过程中Cu-3Ti-3Ni-0.5Si合金发生动态再结晶的激活能Q为216.34582kJ/mol，其发生动态再结晶的临界应变模型为εp=0.035822Z0''04672。采用Johnson-Mehl-Avrami(JML)方程和Sellars模型分别建立了合金动态再结晶动力学和动态再结晶晶粒尺寸模型，可为合金热加工工艺参数的制定提供理论依据。

作者：

刘佳

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关键词：

Cu-Ti-Ni-Si合金热压缩变形高强度导电动态再结晶热处理工艺

授予学位：

博士

学科专业：

材料科学与工程;材料加工工程

导师：

王献辉

学位年度：

2019

学位授予单位：

西安理工大学

语种：

中文

中图分类号：