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 471003)

Cu-Cr-Zr合金熱變形行為

許倩倩,張毅,田保紅,劉勇,李瑞卿

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽471003)

在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上,采用高溫等溫壓縮試驗(yàn),在變形溫度650～850℃、應(yīng)變速率0.001～10s-1和總壓縮應(yīng)變量50%的條件下,對Cu-Cr-Zr合金的流變應(yīng)力行為進(jìn)行研究.通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和顯微組織圖分析了合金在不同應(yīng)變速率、不同應(yīng)變溫度下的變化規(guī)律.結(jié)果表明:應(yīng)變速率和變形溫度對合金再結(jié)晶影響較大,變形溫度越高,合金越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶;應(yīng)變速率越小,合金也同樣容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,并且對應(yīng)的峰值應(yīng)力也越小.從流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度的相關(guān)性,得出了該合金熱壓縮變形時的熱變形激活能Q和流變應(yīng)力方程.研究分析Cu-Cr-Zr合金的熱加工性能,可為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)與借鑒.

Cu-Cr-Zr合金; 熱模擬; 流變應(yīng)力; 加工圖

0 前 言

銅及銅合金由于具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和可焊等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械和國防等諸多領(lǐng)域,對國民經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展起著重要的作用.Cu-Cr系合金經(jīng)適當(dāng)?shù)男巫兒蜔崽幚砗缶哂休^高的強(qiáng)度和硬度,良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及抗腐蝕性,因此被廣泛應(yīng)用于制備電阻焊電極、觸頭材料、集成電路、電力火車架空導(dǎo)線和連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯等對材料性能要求較高的領(lǐng)域[1-3].Cu-Cr-Zr合金也以其優(yōu)良的綜合性能,引起了材料界的廣泛關(guān)注,國內(nèi)外的學(xué)者已進(jìn)行了大量相關(guān)的研究,并取得了許多成果.

高強(qiáng)度高導(dǎo)電性Cu-Cr-Zr合金作為高性能時效強(qiáng)化型銅合金是目前研制出來的少數(shù)能夠滿足超大規(guī)模集成電路性能要求的高強(qiáng)高導(dǎo)框架材料之一[4-6].

本文在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上,采用高溫等溫壓縮試驗(yàn),對Cu-Cr-Zr合金的流變應(yīng)力進(jìn)行研究,觀察合金高溫?zé)釅嚎s變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變試驗(yàn)曲線,從而分析高溫壓縮下合金的流變應(yīng)力的變化規(guī)律.計算該合金的熱變形激活能Q,并確定其流變應(yīng)力方程為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用銅合金中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,余量為Cu.試驗(yàn)用銅合金在ZG-0.01-40-4型真空中頻感應(yīng)爐中熔煉而成,澆注溫度為1 200～1 250 ℃.合金的固溶處理在RJX-2.5-10型箱式電阻爐中進(jìn)行,處理工藝為850 ℃×2 h,隨后水淬.壓縮試驗(yàn)采用固溶后的合金,壓縮試樣尺寸為φ8 mm×12 mm.

試樣以10 ℃/s的速度加熱至900 ℃,保溫3 min,然后以5 ℃/s的冷卻速度冷卻至不同的變形溫度,隨之以不同工藝變形.

1.2 變形條件的主要參數(shù)

變形溫度:650、700、750、800和850 ℃;

應(yīng)變速率:0.001、0.1、1和10 s-1;

總壓縮變形量:約為0.5.

2 結(jié)果與討論

圖1為試驗(yàn)合金在不同變形條件下高溫?zé)釅嚎s變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.

圖1 試驗(yàn)合金熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of the alloy at different hot compression temperatures and strain rates

從圖1中可以看出,變形開始時,隨著變形量的增加,真應(yīng)力顯著增加;當(dāng)真應(yīng)變ε超過一定值后,真應(yīng)力隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而不發(fā)生明顯變化,即合金高溫壓縮變形時出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征.合金在同樣的變形溫度下,隨應(yīng)變速率的增加,材料的真應(yīng)力升高.如合金在800 ℃變形時,應(yīng)變速率由0.001 s-1升高到10 s-1時,峰值應(yīng)力由44.88 MPa升高到128.55 MPa.這說明該合金是正應(yīng)變速率敏感材料.同時還可以看出,在相等的應(yīng)變速率條件下,合金的真應(yīng)力隨溫度的升高而顯著降低,說明溫度對試驗(yàn)合金的流變應(yīng)力有很大的影響.

圖2為試驗(yàn)合金高溫?zé)釅嚎s變形下,變形溫度和應(yīng)變速率對峰值應(yīng)力的影響.由圖2可見,當(dāng)變形溫度一定時,峰值應(yīng)力隨變形速率增加而增加;當(dāng)變形速率一定時,峰值應(yīng)力隨變形溫度的不斷升高而降低,這種變化趨勢與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型無關(guān).

圖2 形變參數(shù)對峰值應(yīng)力的影響Fig.2 Influence of deformation parameters on the peak stress

3 熱激活能的求解

通?？刹捎肧ellars等[7]提出的雙曲正弦形式加以描述:

(1)

式中:F(σ)為應(yīng)力的函數(shù),在不同的條件下有三種不同的形式[6]:

α=β/n

(5)

因此,式(1)可表示為:

(6)

另外,Sellars[7]提出熱變形條件通?？捎肸ener-Hollomon參數(shù)Z來描述:

(7)

利用以上公式通過求導(dǎo)代入等運(yùn)算可以得到:

(8)

圖3 不同溫度下應(yīng)變速率和流變應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate at different temperatures

由圖4(a)五條直線的斜率平均值可得n2=8.883 025;由圖4(b)可得到四條直線斜率的平均值K=5.824 225.根據(jù)Q=nRK,計算求得Q=430.139 2 kJ/mol.

圖5為T=850 ℃時,變形量為0.5的試驗(yàn)合金金相組織照片.

圖5(a)為原始固溶態(tài)的組織圖片.從圖中可以清晰地分辨出晶粒;圖5(b)的應(yīng)變速率為0.001 s-1,此時組織完全發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,晶粒明顯長大,故熱塑性較差;圖5(c)的應(yīng)變速率為0.1 s-1,已完全發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,晶粒有長大的趨勢;圖5(d)的應(yīng)變速率為1 s-1,此時組織已完全發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,且晶粒細(xì)小,組織的熱塑性最好;圖5(e)的應(yīng)變速率為10 s-1,此時應(yīng)變速率快,變形量大,組織瞬間產(chǎn)生大變形,晶粒被壓扁,使得晶粒垂直方向和水平方向上的性能產(chǎn)生較大差異,且導(dǎo)致應(yīng)力集中,容易出現(xiàn)楔形裂紋.

圖4 流變應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between peak stress and strain rateand peak stress and temperatures

圖5 T=850 ℃時變形量為0.5的試驗(yàn)合金金相組織照片F(xiàn)ig.5 Optical microstructure of the alloy at different strain rates of hot compression

4 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)合金高溫壓縮變形時,流變應(yīng)力強(qiáng)烈地取決于應(yīng)變速率和應(yīng)變溫度,流變應(yīng)力隨變形溫度升高而降低,隨應(yīng)變速率提高而增大,說明在該試驗(yàn)條件下,該合金具有正的應(yīng)變速率敏感性.

(2) 試驗(yàn)合金在750～850 ℃變形溫度、0.1～1 s-1應(yīng)變速率條件下,動態(tài)再結(jié)晶是其主要的軟化機(jī)制.

(3) 試驗(yàn)合金熱變形激活能為Q=430.139 2 kJ/mol.

[1]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, 2001, 15(5) :18-20.

[2]劉平,趙冬梅,田保紅,等.高性能銅合金及其加工技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2005.

[3]Batra I S, Dey G K, Kulkarni U D,etal.Microstructure and properties of a Cu-Cr-Zr alloy [J].NuclMater, 2001, 299:91-100.

[4]陶業(yè)卿,劉平,賈淑果,等.高強(qiáng)度高導(dǎo)電Cu-Cr-Zr合金的研究現(xiàn)狀[J].材料熱處理技術(shù),2010,39(14):31-36.

[5]趙美,王自東,林國,等.高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr系合金的研究進(jìn)展[J].材料熱處理技術(shù),2007,36(5):455-461.

[6]姜鋒,陳小波,蔣龍,等.鉻鋯微合金化高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的研究進(jìn)展[J].材料熱處理技術(shù),2009,38(2):1-8.

[7]Sellars C M,Mctegart W J.On the mechanism of hot deformation[J].ActaMetall, 1966, 14:1136-1138.

StudyonHotDeformationofCu-Cr-ZrAlloy

XUQian-qian,ZHANGYi,TIANBao-hong,LIUYong,LIRui-qing

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China)

The flow stress behavior of Cu-Cr-Zr alloy during hot compression deformation was studied through making isothermal compression test at Gleeble-1500D thermal-mechanical simulator at the temperature from 650 ℃ to 850 ℃,the strain rate from 0.001 s-1to 10 s-1and under the maximum strain of 50%.The change of Cu-Cr-Zr alloy was observed under different deformation temperature and different strain rate, through flow stress-strain curve and microstructure graph.Test results show that the higher deformation temperature or the smaller strain rate is,the easier dynamic re-crystallization of the alloy will occur.At the same time, the corresponding peak stress value becomes smaller.Both the hot deformation activation energyQand constitutive equation can be derived from the correlativity of flow stress,strain rate and temperature of this alloy.The study on Cu-Cr-Zr thermal processing figure can help analyze the thermal performance of Cu-Cr-Zr alloy,and it provides theoretical guidance and reference for production practice.

Cu-Cr-Zr alloy; thermal simulation; flow stress; processing figure

1005-2046(2014)01-0010-05

2013-09-30

國家自然科學(xué)基金(51101052);國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項(xiàng)目(2006AA03Z528);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃(2012GGJS073);河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃(2011B430013);河南省有色金屬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2011YSKF12);河南科技大學(xué)人才科研基金項(xiàng)目(09001414)和河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金(2011QN48)

許倩倩(1989-),女,碩士研究生,主要從事高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅合金功能材料的研究.

張毅,副教授,博士.E-mail:zhshgu436@163.com.

TG146.1+1;TG113.2

A