李鴻明 董闖 王清 李曉娜 趙亞軍 周大雨

1)(大連理工大學(xué),材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116024)

2)(內(nèi)蒙古民族大學(xué),物理與電子信息學(xué)院,通遼 028000)

(2018年8月7日收到;2018年11月18日收到修改稿)

銅合金以低電阻率為特征,由于電阻率與強(qiáng)度存在著共同的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理,兩者往往協(xié)同變化,而導(dǎo)致難以對合金進(jìn)行性能的全面評(píng)估和選材.本文以Cu-Ni-Mo合金作為研究對象,以團(tuán)簇結(jié)構(gòu)[Mo1-Ni12]構(gòu)建固溶體的近程序結(jié)構(gòu)模型,解析了電阻率和強(qiáng)度依賴于成分的定量變化規(guī)律,并定義了拉伸強(qiáng)度/電阻率的值為代表合金本質(zhì)特性的“強(qiáng)阻比”,得到了完全固溶態(tài)Cu-Ni-Mo合金的強(qiáng)阻比為7×108MPa/?·m,完全析出態(tài)的強(qiáng)阻比為(310—490)×108MPa/?·m.進(jìn)而應(yīng)用強(qiáng)阻比對常用銅合金進(jìn)行了性能分區(qū),給出銅合金材料選材的依據(jù),得出了基于Cu-(Cr,Zr,Mg,Ag,Cd)等二元基礎(chǔ)體系的銅合金適用于高強(qiáng)高導(dǎo)應(yīng)用,而基于Cu-(Be,Ni,Sn,Fe,Zn,Ti,Al)等為基礎(chǔ)二元體系的銅合金不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo).該強(qiáng)阻比為310的特征性能分界線的發(fā)現(xiàn)為合金性能的全面評(píng)估提供了量化依據(jù),可指導(dǎo)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的選材和研發(fā).

1 引 言

銅合金具有良好的導(dǎo)電、耐蝕、加工性能等.如高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金具有良好的力學(xué)和電學(xué)性能,在電子、電力和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.國際公認(rèn)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的強(qiáng)度約為600—800 MPa,電導(dǎo)率一般高于80%IACS.開發(fā)這類材料主要是通過材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化制備工藝實(shí)現(xiàn)[1,2].選材成為關(guān)鍵所在,人們往往以犧牲導(dǎo)電率的方式來提高力學(xué)性能,無法真正達(dá)到兩者兼顧的優(yōu)化狀態(tài).如合金化以及配合的制備工藝導(dǎo)致多種強(qiáng)化效果,包括固溶、析出、細(xì)晶和形變等,其共性都是引入大量微觀缺陷(如化學(xué)近程序、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、第二相析出等),在強(qiáng)度提升的同時(shí),導(dǎo)電性能下降[3].源自合金化的強(qiáng)化效應(yīng)為固溶和析出強(qiáng)化(細(xì)晶、加工硬化等均主要依靠工藝實(shí)現(xiàn)),在加工工藝類似的情況下,固溶與析出成為主導(dǎo)因素.固溶強(qiáng)化元素是與銅有較大固溶度的元素,如Sn,Zn,Ni,Al等.隨著溶質(zhì)含量增加,合金的屈服應(yīng)力近似直線上升.固溶原子一方面釘軋位錯(cuò),提高材料的強(qiáng)度,另一方面也會(huì)增加對電子的散射而損害材料的導(dǎo)電性[4],因此導(dǎo)電和強(qiáng)度相互矛盾,高導(dǎo)銅合金不能僅用固溶強(qiáng)化提高綜合性能.在銅合金中,為產(chǎn)生析出強(qiáng)化效果而加入的元素有Cr,Zr,Be,Fe,Ti,Co,P,Si,Mg等[5],合金化盡可能地析出而達(dá)到凈化基體(提升導(dǎo)電),強(qiáng)化主要靠彌散析出.析出強(qiáng)化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最為顯著,同時(shí)對導(dǎo)電性的損害較小,因此時(shí)效析出強(qiáng)化在高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金中獲得了廣泛的應(yīng)用.

目前流行的高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金有Cu-Cr(Zr)[6],Cu-Ag[7],Cu-Fe(P)[8],Cu-Ni-Si[9],Cu-Mg[10]等,均通過固溶加時(shí)效的方法,使過飽和固溶體析出強(qiáng)化相從而提高合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率.顯然,合金成分是首要選擇,一旦選定材料,工藝只能有限地提升性能,由于導(dǎo)電和強(qiáng)度相互矛盾,難以判斷綜合性能好壞,更難以判斷成分和制備工藝哪種對性能有主要影響,不能在工程實(shí)踐中進(jìn)行精確選材.因此迫切需要建立兩者的定量聯(lián)系,劃分出常用銅合金的性能分區(qū),判定所要研制的銅合金處于哪個(gè)分區(qū)及其電阻率和強(qiáng)度的范圍,從而有效地指導(dǎo)合金的選材.

在我們的前期工作中[11,12],用團(tuán)簇加連接原子的近程序模型[13-15],建立了溶質(zhì)均勻分布的一種簡單結(jié)構(gòu)模型,有效地解釋了固溶體銅合金的導(dǎo)電和強(qiáng)度機(jī)理.其基本假設(shè)為:根據(jù)原子間相互作用,溶質(zhì)和溶劑之間形成第一近鄰配位多面體團(tuán)簇,這些代表著近程序特征的團(tuán)簇散布在溶劑基體中.例如在面心立方合金中,團(tuán)簇為立方八面體單元.團(tuán)簇的形成代表著散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)目的減少和對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加,因此在固溶合金中,強(qiáng)度和電阻率源自完全一致的微觀化學(xué)近程序結(jié)構(gòu),化學(xué)近程序結(jié)構(gòu)的形成可促進(jìn)時(shí)效強(qiáng)化析出相的強(qiáng)化效應(yīng)和凈化基體提高導(dǎo)電性,并能使導(dǎo)電性和強(qiáng)度的矛盾從對立走向統(tǒng)一.由此,在對化學(xué)近程序結(jié)構(gòu)的有效描述的基礎(chǔ)上,建立了由于合金化所導(dǎo)致的兩者增量(分別為剩余電阻率和剩余強(qiáng)度,即為測試的數(shù)據(jù)減去合金化前的銅基體性能數(shù)據(jù))之間的定量關(guān)系,也就是說,對于成分系列和組織類型相同(完全固溶、固溶加析出、完全析出等)的合金,強(qiáng)度和電阻率之間具有非常簡單的正比關(guān)系.如果通過剩余電阻率和剩余強(qiáng)度得到合金本征性能參數(shù),對于給定類型的合金,其數(shù)據(jù)點(diǎn)將可以用這一本征性能參數(shù)進(jìn)行劃分歸類,有望依據(jù)此參數(shù)對銅合金進(jìn)行分析和分區(qū),支持合金選材.

本文簡要介紹了銅合金固溶體的團(tuán)簇加連接原子模型,以Cu-Ni-Mo合金為例,給出完全固溶和有析出情況下的剩余電阻率和剩余強(qiáng)度的定量關(guān)聯(lián),并根據(jù)這一合金的特殊性(固溶部分以理想的團(tuán)簇形式存在銅基體中,析出部分則是Mo的單質(zhì)),得到銅合金的性能本征參數(shù);利用這一性能參數(shù)對常用的銅合金劃分出性能成分分區(qū),為銅合金選材設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

2 固溶體的化學(xué)近程序團(tuán)簇模型及電阻率和強(qiáng)度的定量關(guān)系

Matthiessen定律[16]是研究低溶質(zhì)含量的稀固溶體電阻率的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則,可表述為ρ=ρ0+ρimp,其中ρ0為純?nèi)軇﹩钨|(zhì)態(tài)的電阻率,ρimp為合金化帶來的剩余電阻率,對于稀固溶體,ρimp=x·?ρ,x是溶質(zhì)元素含量;?ρ為1 at.%原子溶質(zhì)引起的附加電阻率,也就是說剩余電阻率隨溶質(zhì)含量呈簡單的正比關(guān)系變化.根據(jù)Mott-Nabbaro的理論[17],對稀固溶體,屈服強(qiáng)度隨溶質(zhì)原子濃度的變化可表示為:σ=σ0+kCm,式中,σ為合金屈服強(qiáng)度;σ0為純金屬屈服強(qiáng)度;C為溶質(zhì)原子濃度;k,m為常數(shù),決定于基體和合金元素的性質(zhì),m介于0.5—1之間.當(dāng)m=1時(shí)Mott-Nabbaro理論公式變?yōu)棣?σ0+kC,即σ-σ0=kC隨溶質(zhì)原子濃度呈正比關(guān)系變化.根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理的Hall-Petch公式[18]指出,材料的晶粒越小強(qiáng)度越高.研究表明:合金元素對銅合金的強(qiáng)化主要取決于溶質(zhì)原子與銅原子的尺寸差別和溶質(zhì)元素在銅中的濃度,而對電導(dǎo)率的影響則與固溶元素的種類和數(shù)量有關(guān).因此可見電阻率和強(qiáng)度與溶質(zhì)之間在形式上存在著相似的關(guān)系,雖然合金化元素的加入使得導(dǎo)電性和強(qiáng)度呈相反的趨勢變化,但實(shí)際上它們來源于共同的結(jié)構(gòu)機(jī)理,即化學(xué)近程序結(jié)構(gòu).因此利用化學(xué)近程序模型的有效描述可以建立固溶體合金的電阻率和強(qiáng)度(硬度)的定量關(guān)系.

在前期工作中,我們設(shè)計(jì)了[MoyNi12]x/(y+12)Cu100-x稀固溶體合金系列[11,12],x為溶質(zhì)總量,y/12代表Mo與Ni的比例,利用化學(xué)近程序團(tuán)簇模型確立了電阻率和強(qiáng)度(硬度)的定量關(guān)聯(lián),詳細(xì)描述如下.

在Cu-Ni-Mo固溶體合金體系中,Mo是Cu合金中常見的強(qiáng)化元素,它的添加可在Cu基體中成為結(jié)晶核而細(xì)化晶粒,提高再結(jié)晶溫度等.Mo與Cu為正混合焓、與Ni為負(fù)混合焓(?HMo-Ni=-7 kJ·mol-1)的過渡族金屬元素,Mo在Cu基體中的室溫固溶度幾乎為零,而Ni能在Cu中無限固溶(?HNi-Cu=4 kJ·mol-1),Mo通過Ni的作用將Mo代入到Cu基體中.為了得到最大的固溶穩(wěn)定性,以最近鄰配位多面體為基元,添加Mo元素與Ni的原子個(gè)數(shù)比為1/12.根據(jù)團(tuán)簇理論,在具有較小負(fù)混合焓的稀固溶體合金中,異類原子作為近鄰的趨勢較大,局域上容易形成以溶質(zhì)原子為中心、溶劑原子為第一殼層的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu),這種原子團(tuán)簇最終無序地堆垛成固溶體合金.過去有大量的近程序α序參量的測量數(shù)據(jù),均證明與平均成分的偏差主要落在第一近鄰的團(tuán)簇和次近鄰的連接原子上,更外面的偏差幾乎可以忽略,這是團(tuán)簇加連接原子模型提出的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).作為合金近程有序局域結(jié)構(gòu)的理想情形,存在以Mo原子為中心,以Ni原子為第一近鄰的配位數(shù)為12的[Mo1-Ni12]立方八面體原子團(tuán)簇,分散到Cu基體中形成穩(wěn)定固溶體合金,理想的近程序成分式描述為[Mo1-Ni12]x/13Cu100-x,而含有不同Mo/Ni=y/12比例的合金成分通式為[MoyNi12]x/(y+12)Cu100-x,x為溶質(zhì)總量.

在Cu-Ni-Mo合金中,局域上形成的以Mo原子為中心、以Ni原子為第一近鄰的[Mo1-Ni12]的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)增加了原子間相互作用的能量,增強(qiáng)的柯氏氣團(tuán)釘軋?jiān)诨w中有效地阻止了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),提高了強(qiáng)度,同時(shí)團(tuán)簇的形成將原本毫無規(guī)律散落的13個(gè)質(zhì)點(diǎn)凝聚成一個(gè)大的質(zhì)點(diǎn),最大程度地減少了溶質(zhì)對傳導(dǎo)電子的散射概率,從而減小因?yàn)樘砑尤苜|(zhì)元素而造成的電阻率的增加,因此這種近程序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)是電阻率和強(qiáng)度的共同結(jié)構(gòu)基源,使得電阻率和強(qiáng)度達(dá)到最佳匹配.利用這個(gè)模型,對Cu-Ni-Mo合金的電阻率和強(qiáng)度(硬度)進(jìn)行了定量分析[11,12],Mo和Ni的原子個(gè)數(shù)比是1/12時(shí)(y=1),合金的近程序結(jié)構(gòu)為單一的[Mo1-Ni12]團(tuán)簇結(jié)構(gòu),合金為完全團(tuán)簇固溶態(tài)單相合金,減少了散射質(zhì)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了最大化原子集聚,合金的點(diǎn)陣常數(shù)達(dá)到最小,同時(shí)最有效地阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng),導(dǎo)電效果和硬度優(yōu)于溶質(zhì)無序分布的情形,達(dá)到最佳匹配.此時(shí)溶質(zhì)完全以[Mo1-Ni12]團(tuán)簇結(jié)構(gòu)存在于銅基體中,對應(yīng)的剩余電阻率公式為

其中13·x/(y+12)就是溶質(zhì)總量,當(dāng)y=1時(shí),13·x/(y+12)=x也是團(tuán)簇的原子含量,(1)式變?yōu)棣裄=U·x.

在Mo和Ni的原子個(gè)數(shù)比小于1/12(y<1)時(shí),合金結(jié)構(gòu)為[Mo1-Ni12]團(tuán)簇固溶態(tài)加上多余Ni固溶,對應(yīng)剩余電阻率的公式為

在Mo和Ni的原子個(gè)數(shù)比大于1/12(y>1)時(shí),合金結(jié)構(gòu)為[Mo1-Ni12]團(tuán)簇固溶態(tài)加上多余Mo單質(zhì)析出,剩余電阻率的公式為

(3)式中的第一項(xiàng)為固溶的貢獻(xiàn),第二項(xiàng)為析出部分的影響,因?yàn)閮刹糠謱﹄娮杪实呢暙I(xiàn)不同導(dǎo)致電阻率隨溶質(zhì)總量的變化偏離線性,形式上不滿足Matthiessen定律,但若是分別考慮三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)對電阻率的貢獻(xiàn),每種的貢獻(xiàn)均為線性.(1),(2)和(3)式中各項(xiàng)前的系數(shù)U,V和W分別為添加1 at.%的團(tuán)簇、Ni原子和Mo原子所增加的附加電阻率,它們都是常數(shù).這些公式完美地解釋了Cu-Ni-Mo合金的導(dǎo)電行為,同時(shí)間接證明了固溶體中的團(tuán)簇模型.

基于電阻率和硬度來源于共同的化學(xué)近程序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)機(jī)理,類似于剩余電阻率,我們進(jìn)而定義了剩余硬度HR(相應(yīng)的剩余強(qiáng)度σR),剩余硬度HR為實(shí)測的維氏硬度減去純銅的維氏硬度,即HR=HV-H0.當(dāng)y=1時(shí),合金為理想團(tuán)簇固溶的狀態(tài),和剩余電阻率與溶質(zhì)含量的關(guān)系相似,根據(jù)Mott-Nabbaro理論公式,對應(yīng)m=1的情形,剩余硬度與溶質(zhì)含量間滿足線性關(guān)系即HR=A·13·x/(y+12)=Ax(A為常數(shù),x為溶質(zhì)總量),對比剩余電阻率ρR在y=1時(shí)的(1)式,可以得到剩余硬度HR和剩余電阻率ρR的定量關(guān)系即HR=A·ρR/U.由此,針對理想團(tuán)簇固溶情形下,我們很容易建立導(dǎo)電性與硬度(強(qiáng)度)的定量關(guān)聯(lián).需要強(qiáng)調(diào)的是,類比于剩余電阻率,我們引入了剩余硬度(剩余強(qiáng)度)的新概念,在這種新概念情況下,利用團(tuán)簇模型排除了合金的成分變化產(chǎn)生的影響,將電阻率和強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性得到最大的簡化.

事實(shí)上,根據(jù)Mott-Nabbaro的理論,對稀固溶體,屈服強(qiáng)度隨溶質(zhì)原子濃度的變化往往偏離線性,即σ=σ0+kCm,式中m=1.類似于剩余電阻率的偏離線性行為,我們考慮固溶和析出兩項(xiàng)貢獻(xiàn)時(shí),對照(3)式,將合金的剩余硬度可以修正為

式中13x/(y+12)為[MoyNi12]x/(y+12)Cu100-x合金的固溶態(tài)溶質(zhì)含量,x(y-1)/(y+12)為其析出態(tài)溶質(zhì)含量.張哲峰等[19]把銅和銅合金的強(qiáng)度(MPa)和維氏硬度(MPa)的對應(yīng)關(guān)系分為幾個(gè)類型,當(dāng)合金的強(qiáng)度較低時(shí)處于I區(qū),滿足3σy

(3)和(5)式中的第一項(xiàng)代表溶質(zhì)中的固溶部分對電阻率和強(qiáng)度的貢獻(xiàn),第二項(xiàng)代表溶質(zhì)中的析出部分對電阻率和強(qiáng)度的貢獻(xiàn).(3)和(5)式實(shí)質(zhì)上反映了電阻與強(qiáng)度的共同微觀機(jī)理,是一種利用固溶體化學(xué)近程序描述電阻率和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的簡單的方法.這里我們定義溶質(zhì)對強(qiáng)度與電阻率的相對貢獻(xiàn)為強(qiáng)度/電阻率的比值,簡稱為“強(qiáng)阻比”,這一性能指標(biāo)可以描述合金的綜合性能,比值越大說明強(qiáng)度越高,導(dǎo)電性越好.分別對比(3)和(4)式的固溶部分和析出部分溶質(zhì)的強(qiáng)阻比,可得固溶部分溶質(zhì)導(dǎo)致的強(qiáng)阻比為10·A/(M·U),析出部分溶質(zhì)的強(qiáng)阻比為10·B/(M·W).

下面以Cu-Ni-Mo稀固溶體合金為例,證明(5)式的可行性,并獲得固溶和析出態(tài)對應(yīng)的具體強(qiáng)阻比.

3 Cu-Ni-Mo稀固溶體合金的硬度與電阻率關(guān)聯(lián)

本文涉及的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自前期工作[13],此處不詳述.合金利用真空電弧爐熔煉成紐扣錠,質(zhì)量損耗小于0.01%,對鑄態(tài)樣品在真空環(huán)境下進(jìn)行了1238 K 6 h固溶處理加753 K 4 h時(shí)效處理.成分表述為[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x(x=0.3,0.5,1,3,5;y=0.5,1,2,4,6),Mo和Ni的原子個(gè)數(shù)比為y/12=0.5/12,1/12,2/12,4/12和6/12.

采用D60K型數(shù)字金屬電導(dǎo)率測量儀測量室溫下樣品的導(dǎo)電率,使用HVS-1000型維氏硬度計(jì)測量樣品的硬度.維氏硬度的單位為Kgf·mm-2,電阻率的單位為10-8?·m.所對應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 經(jīng)熱處理后[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x樣品的電導(dǎo)率、電阻率和維氏硬度Table 1.Conductivity,resistivity and Vickers hardness of[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x alloys after heat treatment.

在前面的工作中[11,12],我們研究了Cu-Ni-Mo合金的電阻率和強(qiáng)度,已經(jīng)得到了(1),(2),(3)和(4)式中的系數(shù)U,V,W和A的值分別為1.08,1.21,0.09和1.50. 根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x(x=0.3 at.%—5 at.%)系列樣品的電阻率和強(qiáng)度隨溶質(zhì)總量變化的關(guān)系曲線,如圖1.從圖1中可見:在y=1時(shí)電阻率和硬度隨溶質(zhì)總量均呈現(xiàn)線性變化,經(jīng)擬合可得兩條直線對應(yīng)的截距分別為1.8(×10-8?·m)和43.43 Kgf·mm-2,為此系列樣品純銅的電阻率和維氏硬度.因?yàn)榇讼盗袠悠诽幱贗區(qū),合金的強(qiáng)度和硬度滿足關(guān)系3σy

圖1 [Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x(x=0.3 at.%—5 at.%)樣品的電阻率(左縱軸)和硬度(右縱軸)隨溶質(zhì)總量x的變化關(guān)系Fig.1.Resistivity and Vickers hardness vs.the total contents of solute x of[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x alloys,x=0.3 at.%—5 at.%.

當(dāng)y=1時(shí),合金的狀態(tài)為完全團(tuán)簇固溶,將U=1.08代入(1)式中可得ρR=1.08x;將A=1.50代入(5)式中可得σR=10·1.5x/1.91≈7.85x,說明在完全固溶態(tài)下滿足Mott-Nabbaro理論公式中m=1,剩余強(qiáng)度與溶質(zhì)含量呈正比的關(guān)系,這時(shí)合金達(dá)到穩(wěn)定的固溶態(tài).比較完全團(tuán)簇固溶態(tài)下的剩余電阻率和剩余強(qiáng)度隨溶質(zhì)含量變化的系數(shù)可知,它們處于同一數(shù)量級(jí),說明在完全固溶態(tài)下,強(qiáng)度和電阻率主要源自近程序團(tuán)簇固溶部分的貢獻(xiàn),也就驗(yàn)證了近程序結(jié)構(gòu)是影響電阻率和硬度的共同結(jié)構(gòu)機(jī)理.

當(dāng)y>1時(shí),電阻率和硬度(強(qiáng)度)隨溶質(zhì)總量的變化偏離了線性,這是由于加入合金中的Mo一部分與Ni形成[Mo1-Ni12]團(tuán)簇結(jié)構(gòu)固溶在銅基體中后仍有剩余,多余的Mo以單質(zhì)形式從基體中析出,因?yàn)槲龀鯩o的影響,使得固溶體的狀態(tài)發(fā)生了變化,由固溶態(tài)變?yōu)楣倘芗游龀龅臓顟B(tài),因此要將兩者分開考慮來衡量對電阻率和強(qiáng)度的影響.

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可得圖2為[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x(x=0.3 at.%—5 at.%)系列樣品的強(qiáng)度隨電阻率的變化關(guān)系.將U=1.08,W=0.09和A=1.50,M=1.91代入(3)和(5)式中,可得:

(6)和(7)式右側(cè)第一項(xiàng)為合金中固溶部分對電阻率和強(qiáng)度的影響,第二項(xiàng)為合金中析出部分對電阻率和強(qiáng)度的貢獻(xiàn).用(7)式第一項(xiàng)比(6)式第一項(xiàng)得到的是固溶部分的強(qiáng)阻比為5.2·1.5/1.08≈7×10-8MPa/?·m(圖2中的黑色實(shí)線的斜率),同理可得析出部分的強(qiáng)阻比為5.2·B/0.09.下面對B系數(shù)進(jìn)行討論.

1)若B與A=1.50處于同一數(shù)量級(jí),則此類合金是固溶和析出并重,所以固溶狀態(tài)和析出狀態(tài)都需要得到很好的控制才能提高合金的綜合性能,但很難達(dá)到高強(qiáng)高導(dǎo).

2)若B遠(yuǎn)小于A=1.50,則此類合金是固溶為主,所以固溶狀態(tài)的控制是提高此合金的綜合性能的關(guān)鍵.從(6)式可見,固溶部分的系數(shù)1.08要比析出部分的系數(shù)0.09大將近一個(gè)數(shù)量級(jí),所以固溶部分本身對電阻率的影響就比析出部分的影響大得多,不能達(dá)到高導(dǎo),強(qiáng)度也由于較弱的固溶強(qiáng)化而不能提升.

3)若B處在比A=1.50大的數(shù)量級(jí)上,此類合金是析出為主決定合金的性能,所以盡可能地析出控制才能最有效地提高此合金的綜合性能.同理從(6)式兩項(xiàng)系數(shù)的對比可知,析出部分對電阻率的影響相對很小,因此此類合金有望實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo).

對于Cu-Ni-Mo系列合金,根據(jù)圖2可見,當(dāng)y=4時(shí),對應(yīng)此系列合金綜合性能最好.將x=1,y=4和對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)σR=5.2·(46.23-43.43)=14.56 MPa代入(7)式,可得B的值為8.43,屬于上述討論中1)的情況,即固溶對電阻率和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)在同一數(shù)量級(jí)上,由此可以估算出析出部分的強(qiáng)阻比為5.2·B/0.09≈490(×10-8MPa/?·m),是完全析出所能達(dá)到的強(qiáng)度/電阻率的性能比,490線成為I區(qū)的完全析出性能分界線.若為II區(qū)合金,HV=3σ,其完全析出的性能界限變?yōu)?0·B/(3·0.09)≈3.3·B/0.09≈310(×10-8MPa/?·m),將它定為II區(qū)的性能分界線,后面我們將會(huì)看到,這個(gè)數(shù)值是一種臨界狀態(tài),是完全析出所能達(dá)到的強(qiáng)阻比的下限.由于常用高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金的強(qiáng)度基本落于II區(qū)(實(shí)際上只有溶質(zhì)含量極少或者純銅合金時(shí)才能滿足I區(qū)),這里采用310線將常用銅合金進(jìn)行性能分區(qū).通過比較固溶部分和析出部分的性能分界線可知:析出部分的性能分界線的值要比固溶部分的性能分界線的值大兩個(gè)數(shù)量級(jí),說明在性能提升方面析出部分的影響極大,想要提高或是改善合金的性能首先要做到能實(shí)現(xiàn)析出,然后要對析出的部分進(jìn)行控制,對性能進(jìn)行調(diào)試,這也在理論上給出了析出在性能改善方面占主導(dǎo)地位的依據(jù).因?yàn)镃u-Ni-Mo合金的特殊性(Mo在銅基體中不固溶,通過Ni的代入,以[Mo1-Ni12]團(tuán)簇的形式固溶在銅基體中,而過量的Mo將以單質(zhì)的形式析出,將合金完全分為兩部分即固溶部分和析出部分),因此我們把Cu-Ni-Mo合金作為研究銅合金的基礎(chǔ),將銅合金的完全固溶態(tài)的強(qiáng)度/電阻率性能比7定義為完全固溶界限,析出態(tài)的強(qiáng)度阻比310定義為完全析出界的下限(圖中紅色虛線).應(yīng)用此分界線分析Cu-Ni-Mo合金可見,要做到完全析出,要求合金的性能比要處于完全析出界線(310線)的上方,只有在此區(qū)域內(nèi)的Cu-Ni-Mo合金才能達(dá)到高強(qiáng)高導(dǎo)要求,顯然此材料不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo),因此不能成為高強(qiáng)高導(dǎo)合金的選材使用.但Cu-Ni-Mo合金是高固溶體穩(wěn)定性的合金,適用于對導(dǎo)電性有一定要求的高穩(wěn)定性用途的合金選材,例如耐蝕和不輕易與Si基體反應(yīng)[21].

圖2 [Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-x(x=0.3 at.%—5 at.%)系列樣品的強(qiáng)度隨電阻率的變化關(guān)系 紅線(虛線)對應(yīng)于強(qiáng)阻比為310,為完全析出線,在其線以上的合金為析出型,否則為析出加固溶型,而接近強(qiáng)阻比為7的為完全固溶線(實(shí)線)Fig.2. Variation of strength vs. resistivity of[Moy/y+12Ni12/y+12]xCu100-xalloys.The red dotted line corresponds to the strength resistivity ratio of 310,which is the complete precipitate line.The alloys above this line are of the precipitation type,and those below it are of the precipitation plus solution type.Near the strength resistivity ratio of 7 is the complete solid solution line(solid line).

4 常用銅合金的導(dǎo)電-強(qiáng)度分區(qū)

在Cu-Ni-Mo合金樣品中純銅的電阻率和強(qiáng)度分別是1.8(×10-8?·m)和227 MPa,但這是我們的合金樣品的純銅數(shù)據(jù),具有一定的特殊性.為了讓純銅的電阻率和強(qiáng)度更具有普遍性,我們對作為原點(diǎn)數(shù)據(jù)使用的純銅的電阻率和強(qiáng)度進(jìn)行修正.普遍公認(rèn)在室溫下純銅的電阻率為1.75(×10-8?·m),純銅經(jīng)冷變形后,強(qiáng)度由軟態(tài)的230—290 MPa可增加到350—400 MPa[22],在ASM手冊[20]中純銅的硬度取值為(221—455 MPa),所以我們將純銅的強(qiáng)度取作一平均值為340 MPa.由于強(qiáng)阻比是斜率,這里把Cu-Ni-Mo合金的數(shù)據(jù)移到強(qiáng)度-電阻率圖的340 MPa起始點(diǎn)上,這種處理對應(yīng)基于強(qiáng)阻比的合金性能分區(qū)沒有影響.下面分析幾種常用的銅合金,并建立它們的電阻率和強(qiáng)度的關(guān)系圖,排除工藝和成分不同對電阻率和強(qiáng)度關(guān)系的影響,取純銅的電阻率和強(qiáng)度作為原點(diǎn)位置,原點(diǎn)坐標(biāo)為(1.75×10-8?·m,340 MPa),應(yīng)用完全析出強(qiáng)阻比下限310線對常用銅合金Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Fe-P,Cu-Ni-Si,Cu-Ag等進(jìn)行性能分區(qū),性能數(shù)據(jù)采自文獻(xiàn)[6—10,20,22—52].

首先分析具有高導(dǎo)特性的Cu-(Cr,Zr,Mg,Ag)合金以及氧化物彌散析出的Cu-Al2O3合金,并以此為參考,進(jìn)一步分析其他銅合金.

Cu-Cr合金具有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱及抗腐蝕等性能,Cr在Cu中固溶度很低,600?C以下幾乎不溶,1080?C左右時(shí)才只有約1.28 wt%的Cr溶于Cu中.彌散析出的Cr可以帶來強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化,而幾乎純Cu基體保證了高的導(dǎo)電性,因此該類合金一直被認(rèn)為是具有較高強(qiáng)度的高導(dǎo)電銅合金的典型體系.Cu-Cr合金材料在制備的過程中,由于Cu和Cr的不相溶,形成兩相合金,合金凝固時(shí)容易出現(xiàn)宏觀偏析.隨著Cr的添加,出現(xiàn)顆粒聚集和顆粒分布不均勻狀態(tài),因此Cu-Cr系合金材料制備過程和參數(shù)控制較為嚴(yán)格.Cu-Zr合金與Cu-Cr合金十分類似,兩種均有接近于純銅導(dǎo)電率的優(yōu)良性能,但它們的強(qiáng)度并不高,通過時(shí)效強(qiáng)化,一般在450 MPa左右.這是由于Cr及Zr從固溶體中的析出速度很快,導(dǎo)致時(shí)效前已有大量的粗大析出,使固溶體的過飽和度降低,時(shí)效后強(qiáng)化效果不夠.因此發(fā)展了Cu-Cr-Zr合金,其導(dǎo)電率下降不多,但其強(qiáng)度以及高溫性能等方面均獲得了改善,是目前耐磨性能較理想的高強(qiáng)高導(dǎo)材料,可作為電阻焊電極材料、連鑄機(jī)結(jié)晶輪、結(jié)晶器材質(zhì)等,壽命明顯提高.Cu-Cr-Zr合金材料是冷作硬化和時(shí)效析出強(qiáng)化的銅基合金材料,熱處理強(qiáng)化效果較好,合金經(jīng)固溶處理后具有良好的冷加工成形性,在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行時(shí)效處理,能產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化.該合金不僅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、較高的強(qiáng)度和硬度,而且還具有較好的抗熔黏性、耐熱性和抗氧化性等,特別是在700?C的高溫下,仍然能夠保持較高的硬度,但制備工藝上較Cu-Cr合金材料復(fù)雜.通過向Cu-Cr合金中加入少量的Zr元素,使得在析出過程中同時(shí)產(chǎn)生Cr相和Cu3Zr相兩種析出相,由于Cr和Zr的交互作用,不僅使Cr相和Zr相的析出變得細(xì)小,同時(shí)將析出相形狀由片狀變?yōu)轭w粒狀,從而使材料的強(qiáng)度和硬度得到改善;加上Cr和Zr在銅合金中室溫下的溶解度極小,還可獲得較高的導(dǎo)電性.圖3證實(shí)了該類合金屬于析出強(qiáng)化類型:大部分成分點(diǎn)都處于完全析出分界線(強(qiáng)阻比=310)的上方,排除Cu-15Cr和Cu-2Cr-0.3Zr特殊工藝原位復(fù)合和噴射沉積處理的特例,主要的成分均分布于圖3中的陰影區(qū).后面將用該陰影區(qū)作為中強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的參考位置,來評(píng)價(jià)其他合金體系的綜合強(qiáng)度與導(dǎo)電性能.選取Cu-0.9Cr-0.3Cd,Cu-0.13Zr-0.07Re和Cu-0.6Cr-0.1Zr-0.03Mg合金作為Cu-Cr,Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金的代表參與后文的性能分區(qū).

圖4為另一類高導(dǎo)合金Cu-Ag,Cu-Mg以及氧化物彌散析出的Cu-Al2O3合金的電阻率和強(qiáng)度關(guān)系.Cu-Ag,Cu-Mg二元合金導(dǎo)電性很好,但強(qiáng)度低.改善性能的進(jìn)一步合金化是為了增加析出部分的貢獻(xiàn),如添加Cr,Zr能很好地改善Cu-Ag合金的綜合性能,與Cu-Cr,Cu-Zr和Cu-Cr-Zr的性能差不多,都是能實(shí)現(xiàn)高導(dǎo),但強(qiáng)度仍不是太高.Cu-Ag系列合金中的大部分合金都處在完全析出線上方,說明此系列合金可以做到完全析出提高性能,可以作為較高強(qiáng)的高導(dǎo)合金材料的選擇.后面將綜合性能最好的Cu-0.1Ag-0.05Zr合金作為Cu-Ag合金的代表進(jìn)行后面的性能分區(qū),基本位于前面提到的Cu-(Cr,Zr)類高導(dǎo)銅合金的高導(dǎo)參考區(qū)內(nèi).Cu-Mg系列合金的Cu-0.11Mg-0.06P合金也位于該參考區(qū)內(nèi),后面將該合金列為Cu-Mg體系的代表性合金.Cu-Al2O3系列屬于彌散析出復(fù)合型合金,所有合金都處于完全析出線的上方,甚至有少數(shù)成分位于高導(dǎo)參考區(qū)的上方,說明這是以析出為主的高強(qiáng)高導(dǎo)合金.但工藝要求較嚴(yán)格,難以實(shí)施大規(guī)模生產(chǎn),這里將性能最好的Cu-0.2Al2O3合金作為此系列合金的代表參與后文的性能分區(qū).

圖4 Cu-Ag,Cu-Mg和Cu-Al2O3系列合金的電阻率和強(qiáng)度關(guān)系,圖中的陰影區(qū)為圖3得到的Cu-Cr-Zr合金的性能占區(qū)Fig.4.Variation of strength vs.resistivity for Cu-Ag,Cu-Mg,and Cu-Al2O3series alloys.The shaded area is the properties of the Cu-Cr-Zr series alloys.

下面分析具有高強(qiáng)特征的銅合金.Cu-Be系列合金為典型的高強(qiáng)高彈合金,隨著Be的加入,在量很少時(shí)電阻率低但強(qiáng)度也不高;當(dāng)加入量很大(超過1.9)時(shí)提升很小的強(qiáng)度需要犧牲很大的導(dǎo)電性作為補(bǔ)償,因此綜合性能也不理想;在Be的加入量為1.9時(shí)完全符合我們的團(tuán)簇模型結(jié)構(gòu),對應(yīng)的團(tuán)簇式為[Cu-Cu12]Be2Cu2=98.1Cu-1.9Be[15],恰好對應(yīng)于最常用的合金牌號(hào)C17200,以團(tuán)簇形式完全固溶、均勻分布,達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)性能(如圖5所示).在圖5中可見大部分的Cu-Be合金處于完全析出線的下方,說明Cu-Be系列合金電阻率和強(qiáng)度的最佳匹配極限狀態(tài)為析出和團(tuán)簇固溶均實(shí)現(xiàn)均勻分布.添加Co元素的量與Be含量兩者相當(dāng)(Cu-0.3Be-0.25Co)或Co的量大于Be的量(Cu-0.5Be-2.5Co)時(shí),能夠較好地提高Cu-Be合金的導(dǎo)電性,這樣的合金是依賴析出平衡性能,處于特征性能曲線的上方,這時(shí)可實(shí)現(xiàn)合金的高強(qiáng)高導(dǎo).圖5中上方淡藍(lán)色陰影區(qū)為典型的高強(qiáng)中導(dǎo)區(qū),后面將用該陰影區(qū)作為高強(qiáng)低導(dǎo)銅合金的參考位置,來評(píng)價(jià)其他合金體系的綜合強(qiáng)度與導(dǎo)電性能.選取該藍(lán)色陰影區(qū)為Cu-Be合金的代表參與后文的性能分區(qū).

圖5 Cu-Be合金的電阻率和強(qiáng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系,左下角陰影區(qū)為圖4的高導(dǎo)合金區(qū),右上陰影區(qū)為具有代表性的高強(qiáng)區(qū)Fig.5.Variation of strength vs.resistivity for Cu-Be alloys.The lower-left shaded zone is the taken from Fig.4,corresponding to high conductivity alloys,and the upper-right shaded zone is the representative high strength zone of Cu-Be alloys.

Cu-Fe體系低溫下基本不互溶,但高溫有一定固溶度.從圖6中可見,Cu-Fe系列合金大部分處于完全析出線的上方,而且能夠達(dá)到很高的強(qiáng)度,作為高強(qiáng)中導(dǎo)合金使用需要做到完全析出. 綜合性能最好的為Cu-11Fe-6Ag,作為Cu-Fe系列合金代表參與后面的性能分區(qū).進(jìn)一步添加P,形成Fe-P析出,能進(jìn)一步提升導(dǎo)電和強(qiáng)度,圖中可見 Cu-Fe-P系列合金落于完全析出線的上方,甚至與Cu-(Cr,Zr)系列合金的陰影區(qū)有交疊,所以可以作為高強(qiáng)高導(dǎo)合金使用.對比Cu-0.1Fe-0.03P,Cu-1Fe-0.03P和Cu-1Fe-0.3P-0.3Zn,Cu-2.3Fe-0.035P-0.1Zn合金可見,加入Zn有利于溶質(zhì)析出,提高合金的性能.高于特征性能線的圖中的Cu-2.3Fe-0.035P-0.1Zn(KLF194-SHT)為此系列合金中綜合性能最好的合金,作為此系列合金的代表參與后面的性能分區(qū).

Cu-Zn系列合金中所有的合金均在完全析出線的下方,說明此系列合金不能做到完全析出,所以這個(gè)系列合金的性能提升只能通過固溶和部分析出共同作用,所以綜合性能整體不高,不能作為高強(qiáng)高導(dǎo)合金的材料使用.在高溫下,FCC的Cu基體中可以固溶39 wt.%(質(zhì)量百分比)的Zn.Cu-Zn合金[Zn-Cu12]Zn4是Cu-Zn體系中最佳的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元[15],而且對應(yīng)的Cu-30Zn(C26000)合金也是最佳的合金成分,其局域原子排布滿足理想的原子間相互作用.對于綜合性能來說Cu-30Zn(C26000)合金的性能最好,作為此系列合金的代表參與后面的性能分區(qū).

對于Cu-Nb合金,處于完全析出線的上方,屬于高強(qiáng)中導(dǎo)合金.當(dāng)Nb含量為15%—20%時(shí)Cu-Nb合金性能最好,Nb濃度過高將不利于合金的后續(xù)加工,且降低合金導(dǎo)電性能.Cu-Nb系列合金處在特征性能線的上方,性能較好,將Cu-18Nb合金作為Cu-Nb系列代表參與性能分區(qū).形變復(fù)合Cu-15Nb合金強(qiáng)度可達(dá)1400 MPa,其相對電導(dǎo)率可達(dá)75%IACS,表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能,但是不屬于模型處理的范圍.

Cu-Cd系列有部分合金能夠處于完全析出線上方,并能夠和Cu-(Cr,Zr)系列合金的陰影區(qū)有交疊,合金綜合性能較好時(shí)需要合金的溶質(zhì)完全析出,在給出的Cu-Cd合金中Cu-1.0Cd(C16200)合金能夠?qū)崿F(xiàn)完全析出,性能最好,作為此系列的代表點(diǎn),該點(diǎn)位于高導(dǎo)參考區(qū)之上.

Cu-Ni-Si系列合金大部分處于完全析出線之下,說明很難做到完全析出.隨著Ni,Si含量的增加,材料的強(qiáng)度有所增加,電導(dǎo)率有所降低.同時(shí),通過微合金化添加第四、第五組元,可以提高材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率.加入P,Zn,Cr,Fe,A1,Mn,Mg等微量元素,可使Cu-Ni-Si合金強(qiáng)度都有不同程度的提高.而微量元素對合金電導(dǎo)率的影響比較復(fù)雜,除了Cu-0.1Ni-0.03Si和Cu-3.2Ni-0.7Si-0.3Zn(QSi0.7)位于完全析出線之上,其他所有合金都在其下,說明此系列合金很難控制到完全析出態(tài).綜合性能最好的為Cu-3.2Ni-0.7Si-0.3Zn(QSi0.7),Ni/Si=2.2,作為Cu-Ni-Si系列合金的代表參與性能分區(qū).

圖6 Cu-Fe,Cu-Fe-P,Cu-Zn,Cu-Cd,Cu-Nb和Cu-Ni-Si合金的電阻率和強(qiáng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系,每個(gè)系列的代表性合金均用箭頭標(biāo)出,左下角陰影區(qū)為圖4的高導(dǎo)合金區(qū),右上陰影區(qū)為具有代表性的高強(qiáng)區(qū)Fig.6.Variation of strength vs.resistivity for Cu-Fe,Cu-Fe-P,Cu-Zn,Cu-Cd,Cu-Nb,and Cu-Ni-Si alloy series.The representative alloys of each alloy series are arrowed.The lower-left shaded zone is the taken from Fig.4,corresponding to high conductivity alloys,and the upper-right shaded zone is the representative high strength zone of Cu-Be alloys.

下面分析低導(dǎo)合金.Al在Cu中的最大固溶度為9.3 wt.%.Cu-Al合金導(dǎo)電性很差,具有高強(qiáng)高抗氧化性和耐機(jī)械損性.圖7給出了Cu-Al系列合金的電阻率和強(qiáng)度的關(guān)系,圖中所有的合金都處在完全析出線310線的下方,說明固溶部分是電阻率和強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn).Cu-Al系列合金的電阻率很高,導(dǎo)電性能不理想,因此不能被當(dāng)作高導(dǎo)材料使用.對于Cu-Al二元合金,對應(yīng)的團(tuán)簇式形式為[Al-Cu12]Al2Cu3=92.2Cu-7.8Al,很好地解釋了合金牌號(hào)C61000(Cu-8Al)[15].在這兩個(gè)合金牌號(hào)中,Cu-8Al是相對更好的,因?yàn)槠湓釉诮躺虾蛨F(tuán)簇在中程上的堆垛更接近于理想的球周期序.因此,在已有的Cu-Al合金排號(hào)中添加Al元素量最接近7.8的合金為Cu-8Al-2Ni(C61500),達(dá)到性能最高值.Cu-8Al-2Ni(C61500)作為Cu-Al系列合金代表參與性能分區(qū).

Cu-Sn合金系列中的合金均處在完全析出線下,因此此系列合金以固溶為主,因此電阻率和強(qiáng)度很難達(dá)到最佳匹配.Cu-11Sn(C90700)合金Sn含量10—12,86.5 Cu-12Sn-1.5Ni(C91700)合金中Sn含量為11.3—12.5,在鑄態(tài)下Cu-12Sn-1.5Ni(C91700)合金性能最好,最接近團(tuán)簇式形式[Cu-Cu12]Sn1Cu1=88.2Cu-11.8Sn[15].實(shí)用條件下,具有高塑性的Cu-5Sn-0.2P(C51000)則具有最佳導(dǎo)電性,因此作為Cu-Sn系列合金代表參與后面的性能分區(qū).

圖7 Cu-Al,Cu-Sn,Cu-Ni,Cu-Ni-Sn和Cu-Ti合金的電阻率和強(qiáng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系,每個(gè)合金系列中的代表性合金均用箭頭標(biāo)出,Cu-(Cr,Zr)高導(dǎo)區(qū)和Cu-Be高強(qiáng)區(qū)也標(biāo)出Fig.7.Variation of strength vs.resistivity for Cu-Al,Cu-Sn,Cu-Ni,Cu-Ni-Sn,and Cu-Ti alloy series.The representative alloys of each alloy series are arrowed.The high conductivity zone of Cu-(Cr,Zr)and high strength zone of Cu-Be are also shown.

Cu-Ni系列合金有較好的抗腐蝕性,Cu-Ni系列合金溶質(zhì)全部固溶,因此電阻率很大而且強(qiáng)度不高. 理想的團(tuán)簇模型是[Cu-Cu12]Ni2Cu1=88.3 Cu-11.7 Ni[15],最接近的合金為Cu-9-11Ni(C70600),隨著Ni的加入固溶在銅基中的量越來越大,其電阻率增強(qiáng)而強(qiáng)度下降.如圖7所示,Cu-Ni系列合金都處在完全析出線310線以下,是固溶為主的合金,其強(qiáng)度不高.此系列性能最好的合金為模型合金Cu-9-11Ni(C70600)以及更低溶質(zhì)含量的多元合金C70400(Cu-5.5Ni-1.5Fe-0.6Mn),其中后者Cu-5.5Ni-1.5Fe-0.6Mn將作為Cu-Ni系列的代表參與后面的性能分區(qū).

Cu-Ni-Sn系列合金都處在完全析出線310線的下面,說明此系列合金是固溶為主影響性能的合金.但Cu-Ni-Sn系列合金能實(shí)現(xiàn)很高的強(qiáng)度,電阻率也很大,因此可作為高強(qiáng)材料使用.將性能最好的Cu-9Ni-6Sn(C72700)合金作為Cu-Ni-Sn系列合金的代表參與后面的性能分區(qū).

Cu-Ti系列合金均在完全析出線以下,因此不能作為高強(qiáng)高導(dǎo)合金材料使用.隨著Ti的加入,合金的強(qiáng)度得到了大幅提高.所以Cu-Ti合金的強(qiáng)度很容易能達(dá)到高強(qiáng),但是導(dǎo)電性能不佳.將Cu-1.5Ti合金作為Cu-Ti合金的代表參與后面的性能分區(qū).

將各系列代表合金匯總于圖8,劃分電導(dǎo)率在80%(電阻率為2.16×10-8?·m)以上為高導(dǎo)合金,在50%—80%為中導(dǎo)合金,低于50%(電阻率為3.45×10-8?·m)為低導(dǎo)合金;拉伸強(qiáng)度在500 MPa以上為高強(qiáng)合金,300—500 MPa為中強(qiáng)合金,低于300 MPa為低強(qiáng)合金.如圖8所示,在橫長條陰影區(qū)域及以上的合金為高強(qiáng)合金,處于豎的細(xì)長條陰影區(qū)域左邊的合金為高導(dǎo)合金.因此,能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo)的合金系列為圖中標(biāo)點(diǎn)1(Cu-Cr系列),2(Cu-Zr系列),3(Cu-Cr-Zr系列),4(Cu-Ag系列),5(Cu-Mg系列),6(Cu-Al2O3系列)和7(Cu-Cd系列),這些系列可以作為高強(qiáng)高導(dǎo)合金的選材使用,而8(Cu-Fe-P系列),9(Cu-Fe系列),10(Cu-Nb系列)和11(Cu-Ni-Si系列)可以作為高強(qiáng)中導(dǎo)材料使用;12(Cu-Be系列),13(Cu-Zn系列),14(Cu-Ti系列),15(Cu-Sn系列),16(Cu-Ni-Sn系列),17(Cu-Al系列)和18(Cu-Ni系列)可以用作高強(qiáng)低導(dǎo)材料.

我們注意到,各種銅合金的強(qiáng)阻比都有其各自的范圍,強(qiáng)阻比為310的分界線只是分隔了純析出態(tài)與析出加固溶態(tài),給出了高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的下限,顯然還存在析出和固溶之外的其他因素影響著強(qiáng)阻比,例如晶界、界面狀態(tài)、位錯(cuò)等,這些因素導(dǎo)致每類合金的不同強(qiáng)阻比.至于銅合金的加工狀態(tài)的影響,已經(jīng)涵蓋在強(qiáng)阻比值的處理上,任何除了合金化之外的加工目的都是盡量增加強(qiáng)阻比,因此我們給出的310完全析出的分界線,只反映了純析出態(tài)和析出加固溶態(tài)的分割,是確定高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的下限值,進(jìn)一步工藝處理將升高強(qiáng)阻比到更高值.

5 結(jié) 論

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金以低電阻和高強(qiáng)度為特征,雖然已有大量研究揭示了高電導(dǎo)與高強(qiáng)度的矛盾關(guān)系,高的電阻率意味著大量的電子散射,而高強(qiáng)要求最有力的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),在本質(zhì)上由于電阻率與強(qiáng)度存在著共同的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理,兩者往往協(xié)同變化,而導(dǎo)致難以對合金進(jìn)行性能的全面評(píng)估和選材.本文以Cu-Ni-Mo合金作為研究銅合金材料性能分區(qū)判定依據(jù)的基礎(chǔ),理想的穩(wěn)定近程序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)[Mo1-Ni12]實(shí)現(xiàn)了最大化的原子集聚,有效地減少了散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)目同時(shí)增加了對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,這種化學(xué)近程序結(jié)構(gòu)模型是影響電阻率和強(qiáng)度的本質(zhì)結(jié)構(gòu)基源,解釋了電阻率和強(qiáng)度依賴于成分的定量變化規(guī)律,將電阻率和強(qiáng)度隨溶質(zhì)含量的偏離線性變化歸結(jié)為合金狀態(tài)造成的不同影響,即合金狀態(tài)分為固溶和析出兩部分對電阻率和強(qiáng)度的貢獻(xiàn),并定義了拉伸強(qiáng)度/電阻率的值為代表合金本質(zhì)特性的“強(qiáng)阻比”,得到了完全固溶態(tài)Cu-Ni-Mo合金的強(qiáng)阻比為7×108MPa/?·m,完全析出態(tài)的強(qiáng)阻比為(310—490)×108MPa/?·m.進(jìn)而應(yīng)用強(qiáng)阻比對常用銅合金進(jìn)行了性能分區(qū),給出銅合金材料選材的依據(jù),得出了Cu-(Cr,Zr,Mg,Ag,Cd)等基礎(chǔ)體系適用于高強(qiáng)高導(dǎo)應(yīng)用,而Cu-(Be,Ni,Sn,Fe,Zn,Ti,Al)等為基礎(chǔ)的材料體系不能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo).該特征性能分界線有益于合金性能的全面評(píng)估,為高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的選材和研發(fā)提供理論指導(dǎo).