趙亞永，張彥敏,b，宋克興,b

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 洛陽 471023)

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Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛行為

趙亞永a，張彥敏a,b，宋克興a,b

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 洛陽 471023)

通過應(yīng)力松弛試驗，研究了Al2O3/Cu彌散強化銅合金在不同溫度(室溫、100 ℃、200 ℃和300 ℃)下的應(yīng)力松弛行為。應(yīng)用二次延遲函數(shù)模型擬合了應(yīng)力松弛曲線，推導(dǎo)了不同溫度下材料塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系。研究結(jié)果表明：Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應(yīng)力松弛曲線分為兩個階段。第一階段，殘余應(yīng)力迅速下降；第二階段，殘余應(yīng)力緩慢下降，隨著時間延長無限接近應(yīng)力松弛極限，且溫度越高，應(yīng)力松弛極限越低。在室溫和100 ℃時，殘余應(yīng)力衰減率分別為30.7%和30.3%；在200 ℃和300 ℃時，殘余應(yīng)力衰減率分別為92.4%和97.3%。因此，該合金材料作為彈性元件時服役溫度應(yīng)小于100 ℃。塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力關(guān)系曲線可以分為高應(yīng)力和低應(yīng)力階段，兩個階段之間存在門檻應(yīng)力，溫度越高，門檻應(yīng)力越小。門檻應(yīng)力不同，相應(yīng)的應(yīng)力松弛機制也不同，室溫和100 ℃時為第二相顆粒增強機制；200 ℃和300 ℃時為位錯攀移機制。

Al2O3/Cu彌散強化銅合金；應(yīng)力松弛；曲線擬合；門檻應(yīng)力

0　引言

Al2O3/Cu彌散強化銅合金不僅強度高、導(dǎo)電性能好，而且具有良好的抗高溫軟化、抗電弧侵蝕及抗磨損能力，廣泛應(yīng)用于電氣開關(guān)觸頭、高壓隔離開關(guān)、電阻焊電極、彈性簧片和電氣接插件等電氣元器件領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)及電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對這類高強高導(dǎo)復(fù)合材料的性能要求也越來越高[1-4]。材料在服役時，除了常規(guī)的強度和導(dǎo)電率等性能外，其他性能的穩(wěn)定性也很重要，其中應(yīng)力松弛是表征其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。應(yīng)力松弛是指承受一定初始應(yīng)力的金屬材料，在總變形量不變時，部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危瑢?dǎo)致應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象。在電氣元器件服役過程中，因應(yīng)力松弛現(xiàn)象使電氣接觸件之間的接觸力下降，從而導(dǎo)致接觸面升溫、起弧，造成元器件失效，影響正常工作[5-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對不同材料的應(yīng)力松弛行為進行了較深入的研究。文獻[9]對應(yīng)力松弛與蠕變之間的關(guān)聯(lián)性進行了分析比較，證明在較高的溫度下應(yīng)力松弛與蠕變曲線有很好的對應(yīng)關(guān)系。文獻[10]根據(jù)位錯熱激活理論，認為在B87C-6彈簧的應(yīng)力松弛過程中，可動位錯在應(yīng)力作用下發(fā)生了移動，直到移動被晶界阻止，松弛才逐漸減緩，進入穩(wěn)態(tài)松弛階段。文獻[11]研究了TC4合金在400 ℃和600 ℃時的應(yīng)力松弛行為，利用二次延遲函數(shù)對應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進行了精確擬合，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線可分為高應(yīng)力階段和低應(yīng)力階段，兩個階段對應(yīng)的速率應(yīng)力指數(shù)不同，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因仍需進一步研究。文獻[12-13]通過對鈹銅合金帶材靜態(tài)及動態(tài)彎曲應(yīng)力松弛特性進行研究，建立了殘余應(yīng)力與時間及溫度參數(shù)的關(guān)系模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測鈹銅合金的應(yīng)力松弛行為。但是，目前對于Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛行為方面的研究還未見相關(guān)報道?；诖?，本文以Al2O3質(zhì)量分數(shù)為0.68%的Al2O3/Cu彌散強化銅合金為研究對象，對其在不同溫度下的應(yīng)力松弛行為進行了研究。

1　試驗材料與方法

試驗材料是Al2O3質(zhì)量分數(shù)為0.68%的Al2O3/Cu彌散強化銅合金拉拔態(tài)棒材，應(yīng)力松弛試驗采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12120—2013規(guī)定的金屬材料拉伸應(yīng)力松弛試驗方法[14]，試驗設(shè)備為日本島津(SHIMADZUAG-I/250 kN)電子拉伸試驗機。為了研究溫度對Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛行為的影響，試驗溫度分別選取室溫、100 ℃、200 ℃和300 ℃，初始應(yīng)力取相應(yīng)溫度條件下材料屈服極限σ0.2的80%(材料的屈服極限通過標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗方法測定)，即相應(yīng)的初始應(yīng)力σ0分別為420 MPa、390 MPa、330 MPa和300 MPa。試驗時給試樣分別加載相應(yīng)的初始應(yīng)力，試驗過程保持試樣應(yīng)變量恒定，通過電子拉伸試驗機測量試樣的應(yīng)力值。當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化時，記錄應(yīng)力變化值和應(yīng)力發(fā)生變化的時間，最后根據(jù)應(yīng)力隨時間變化情況繪制應(yīng)力松弛曲線。

2　結(jié)果與討論

圖1　不同溫度下Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應(yīng)力松弛曲線

2.1Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應(yīng)力松弛行為

圖1為不同溫度條件下測得的Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應(yīng)力松馳曲線。從圖1中可以看出：Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應(yīng)力松弛行為符合金屬材料應(yīng)力松弛行為的典型特征。應(yīng)力松弛行為分為兩個階段：第一階段，試樣的殘余應(yīng)力衰減很快，且溫度越高，殘余應(yīng)力衰減速度越大，在3 h時(約占松弛總時間的2.5%)，室溫、100 ℃、200 ℃和300 ℃條件下的殘余應(yīng)力衰減率分別達到了19.6%、19.9%、88.4%和90.8%，但隨著時間的延長，殘余應(yīng)力衰減速度逐漸減慢；第二階段，殘余應(yīng)力衰減非常緩慢，衰減速度基本接近于0，殘余應(yīng)力的衰減隨著時間延長無限趨近于某一個值，這個值就是應(yīng)力松弛極限。應(yīng)力松弛極限是描述材料應(yīng)力松弛行為的基本參量之一，表達材料應(yīng)力松弛的最終程度，如果外加應(yīng)力低于應(yīng)力松弛極限，則材料不會發(fā)生應(yīng)力松弛行為。

表1　松弛極限時Al2O3/Cu彌散強化銅合金殘余應(yīng)力衰減率隨溫度變化情況

表1為殘余應(yīng)力達到應(yīng)力松弛極限時，Al2O3/Cu彌散強化銅合金的殘余應(yīng)力衰減率隨溫度變化情況。從圖1和表1中可以看出：溫度是影響Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛行為的主要因素，溫度越高，殘余應(yīng)力衰減率越大，應(yīng)力松弛極限越低。在室溫和100 ℃條件下，材料的應(yīng)力松弛極限分別為290 MPa和272 MPa，殘余應(yīng)力衰減率分別為30.7%和30.3%；當(dāng)溫度為200 ℃ 和300 ℃時，材料的應(yīng)力松弛極限迅速降低，分別為 25 MPa 和8 MPa，殘余應(yīng)力衰減率分別達到92.4%和97.3%。這表明溫度達到200 ℃時，該合金材料內(nèi)部的應(yīng)力基本上完全得到松弛，材料的彈性變形基本上完全轉(zhuǎn)化為永久性的塑性變形。原因是溫度越高，晶界滑動、位錯滑移和原子擴散越容易，材料應(yīng)力松弛越容易發(fā)生。

2.2殘余應(yīng)力與時間及溫度參數(shù)關(guān)系模型的建立

對于殘余應(yīng)力與時間及溫度參數(shù)相關(guān)的材料應(yīng)力松弛行為，可以建立數(shù)學(xué)關(guān)系模型進行描述。本文采用二次延遲函數(shù)指數(shù)模型對Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛曲線進行擬合[15]：

σt=σ(∞)+be-t/τ1+ce-t/τ2，

(1)

其中：σt為殘余應(yīng)力，MPa；t為松弛時間，h；σ(∞)為長時間應(yīng)力松弛后的殘余應(yīng)力，即應(yīng)力松弛極限，MPa；b、c、τ1、τ2為與應(yīng)力松弛曲線形狀有關(guān)的常數(shù)，與材料特性和具體的試驗條件有關(guān)。表2為Al2O3/Cu 彌散強化銅合金應(yīng)力松弛曲線擬合常數(shù)表，擬合常數(shù)由式(1)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合得出。由表2可看出：用二次延遲函數(shù)擬合的結(jié)果與圖1中的試驗測得的應(yīng)力松弛曲線具有較高吻合度，不同溫度下的擬合優(yōu)度R2均達到了97%以上。

表2　Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛曲線擬合常數(shù)

圖2　Al2O3/Cu彌散強化銅合金在不同溫度條件下應(yīng)力松弛速率與時間的關(guān)系曲線

圖2為Al2O3/Cu彌散強化銅合金在不同溫度條件下應(yīng)力松弛速率與時間的關(guān)系曲線。從圖2中可以看出：在試驗溫度條件下，開始階段的應(yīng)力松弛速率比較高，但在較短時間內(nèi)迅速降低，且長時間應(yīng)力松弛后趨于同一水平，應(yīng)力松弛速率接近于0。這說明應(yīng)力松弛現(xiàn)象主要發(fā)生在該合金材料應(yīng)力松弛過程中的前期階段，隨著松弛時間的延長，殘余應(yīng)力基本不再發(fā)生變化，應(yīng)力松弛現(xiàn)象基本停止。溫度越高，開始階段的應(yīng)力松弛速率也越高(不同溫度條件下應(yīng)力松弛速率分別為665 MPa·h-1、1 093 MPa·h-1、1 310 MPa·h-1和1 541 MPa·h-1)，說明隨著溫度的升高，材料越容易發(fā)生應(yīng)力松弛，這是由于溫度升高將使原子的振動熵增大，發(fā)生應(yīng)力松弛的驅(qū)動力增大，材料內(nèi)部位錯滑移和原子擴散變得容易，應(yīng)力松弛速率加快，應(yīng)力松弛現(xiàn)象明顯。

2.3應(yīng)力松弛中塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系

塑性應(yīng)變速率是衡量應(yīng)力松弛快慢的重要指標(biāo)。材料之所以發(fā)生應(yīng)力松弛，是因為材料內(nèi)部的彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)變成永久性的塑性應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力松弛曲線可以給出不同溫度下材料的塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系。在應(yīng)力松弛過程中，根據(jù)應(yīng)力松弛試驗約束條件可知存在如下關(guān)系[16]：

εtotal=εe+εp；

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可得出塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系：

dεp/dt=-dεe/dt=(-1/E)·(dσt/dt)，

(4)

圖3　不同溫度條件下Al2O3/Cu彌散強化銅合金塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線

利用式(4)可推導(dǎo)出不同溫度下Al2O3/Cu彌散強化銅合金塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以看出：不同溫度下塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力關(guān)系曲線的形狀基本相同，證明存在一個固態(tài)變形方程。隨著溫度的升高，曲線向應(yīng)力減小的方向發(fā)生移動，原因是溫度越高，材料的塑性變形抗力越小，松弛過程越容易進行。材料的塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線可以分為高應(yīng)力階段和低應(yīng)力階段，這兩個應(yīng)力階段之間存在一個臨界應(yīng)力，即門檻應(yīng)力。材料在一定溫度和應(yīng)力共同作用下存在多種塑性變形機制，不同塑性變形機制對應(yīng)不同的門檻應(yīng)力[17]，圖3中觀察到的門檻應(yīng)力是占主導(dǎo)地位的變形機制對應(yīng)的門檻應(yīng)力。文獻[18]認為：在塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線上存在一個門檻應(yīng)力，即材料在塑性變形過程中，只有當(dāng)外加應(yīng)力超過門檻應(yīng)力時，才會有明顯的塑性變形發(fā)生。從圖3中也可以看出：溫度越高，對應(yīng)的門檻應(yīng)力越小，材料塑性變形所需要的外加應(yīng)力也就越小，應(yīng)力松弛就越容易發(fā)生。

材料在熱力作用下的塑性變形，可以用塑性應(yīng)變速率-應(yīng)力曲線描述塑性應(yīng)變速率與溫度的關(guān)系：

dεp/dt=Aσnexp(-Q/RT)，

(5)

若考慮門檻應(yīng)力σth，式(5)可修改為：

dεp/dt=A(σ-σth)nexp(-Q/RT)；

(6)

n=ln (dεp/dt)/ln σ，

(7)

其中：σ為外加應(yīng)力，MPa；n為速率應(yīng)力指數(shù)；Q為激活能，kJ/mol；T為溫度，K；R為普適常數(shù)，R=8.314 J·mol-1·K-1；A為常數(shù)；σth為門檻應(yīng)力，在以位錯運動為主要變形機理的變形中，包括晶體點陣對位錯運動的阻力以及固溶原子、彌散第二相、多相韌性合金中的相界等對位錯運動的阻力，MPa。

利用式(6)可以很好地解釋圖3中的曲線。式(7)中速率應(yīng)力指數(shù)n的大小可間接反映出材料應(yīng)力松弛機制[19]：n≈1～2時是擴散控制的松弛；n≈2～4時是位錯滑移控制的松弛；n≈4～6時是位錯攀移控制的松弛；n>6時是第二相顆粒增強機制。在圖3中高應(yīng)力階段和低應(yīng)力階段的塑性應(yīng)變速率-應(yīng)力曲線可分別近似為兩條具有不同斜率的直線，高應(yīng)力階段的直線斜率即為對應(yīng)的n值。在室溫和100 ℃時，速率應(yīng)力指數(shù)n分別為8.6和7.9，說明此條件下該合金材料應(yīng)力松弛機制為第二相顆粒增強；在200 ℃和300 ℃時，速率應(yīng)力指數(shù)n分別為4.8和4.7，說明此條件下該合金材料應(yīng)力松弛機制為位錯的攀移。

3　結(jié)論

(1)Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛行為分為兩個階段：第一階段，殘余應(yīng)力衰減很快；第二階段，殘余應(yīng)力衰減非常緩慢，隨著時間延長逐漸趨于平穩(wěn)，無限接近于應(yīng)力松弛極限，且溫度越高，應(yīng)力松弛極限越低。

(2)采用二次延遲函數(shù)模型σt=σ(∞)+be-t/τ1+ce-t/τ2，可以較精確地擬合Al2O3/Cu彌散強化銅合金應(yīng)力松弛曲線。

(3)試驗溫度范圍內(nèi)，在室溫和100 ℃時，殘余應(yīng)力衰減率約為30%；而在200 ℃和300 ℃時，殘余應(yīng)力衰減率超過90%，應(yīng)力基本完全松弛，因此，該合金材料作為彈性元件時的服役溫度應(yīng)在室溫和100 ℃之間。

(4)塑性應(yīng)變速率與應(yīng)力關(guān)系曲線可以分為高應(yīng)力階段和低應(yīng)力階段，兩個階段之間存在一個門檻應(yīng)力，溫度越高，門檻應(yīng)力越小。在室溫和100 ℃時，該合金材料應(yīng)力松弛機制為第二相顆粒增強；在200 ℃和300 ℃時，該合金材料應(yīng)力松弛機制為位錯的攀移。

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國家自然科學(xué)基金項目(U1502274);河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃基金項目(14IRTSTHN007);河南省國際合作基金項目(162102410025)

趙亞永(1991-),男,河南周口人,碩士生;張彥敏(1970-),女,河南洛陽人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為有色金屬材料制備及成形技術(shù).

2016-07-04

1672-6871(2017)01-0006-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.002

TG146.1

A