Cu-Cr-Zr-Ce合金高溫流變應力的研究

李瑞卿,增祥云，張 毅,許倩倩

(河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽 471023)

0 前 言

由于Cu-Cr-Zr合金具有高強度、高導電率和良好的導熱性能等特點,被廣泛應用于電力、電子和機械等工業領域,可用作熱核試驗反應堆(ITER)[1]偏濾器垂直靶散熱片、集成電路引線框架材料[2-3]、電氣工程開關觸橋、熱交換材料[4]、連鑄機結晶器內襯、電車和電力機車架空導線[5]、高脈沖磁場導體材料以及電氣化高速鐵路用接觸材料[6-7]等.近年來,國內對Cu-Cr-Zr合金已經進行了大量研究,并取得了顯著成果,但主要集中于合金的強化方式方面[8-10].然而,通過熱壓縮力學行為對其熱塑性的研究卻少有報道.

本文針對Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金,探索其高溫熱壓縮力學行為,研究其流變應力與變形溫度、變形量及變形速度之間的關系,可為熱加工工藝的制定提供理論指導.

1 試 驗

合金采用純度為99.9%(質量分數,下同)的標準陰極銅、99.5%Cr、99.5%Zr和99.5%Ce為原材料,在ZG-0.01型真空中頻感應熔煉爐中熔煉而成,其最終化學成分為Cu-0.40Cr-0.15Zr-0.05Ce.合金在1 200～1 250 ℃澆鑄成型后,經950 ℃×1 h固溶處理,隨后加工成直徑為8 mm、長度為12 mm的圓柱體,將其在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上進行壓縮試驗,試驗溫度為600～800 ℃,應變速率為0.01～5 s-1,總壓縮應變量約為0.5(真應變).顯微組織觀察在OLYMPUS PMG3型顯微鏡上進行.

2 結果與分析

2.1 試驗合金流變應力分析

2.1.1 溫度對試驗合金流變應力的影響

圖1為試驗合金在不同應變速率下的熱壓縮變形真應力-應變曲線.從圖1中可以看出,高溫下流變應力先隨應變的增加迅速增大,這是由于變形初期為顆粒的滑動和塑性變形,晶粒內部位錯急劇增加,加工硬化程度不斷加大.隨著變形的繼續,位錯密度達到一定程度后,變形產生的位錯在高溫下可獲得足夠的能量進行滑移和攀移,使得在滑移面上不規則的位錯重新分布,異號位錯相互抵消,刃型位錯垂直排列成墻,從而顯著地降低位錯的彈性畸變能[11].當位錯運動發展到一定程度時,晶粒內部被位錯墻分割成許多完整的亞晶,發生動態回復.因此,流變應力的增幅隨應變量的增加而減小,即曲線斜率快速減小.在更高溫度下,位錯達到發生動態再結晶所需的臨界密度時,在高畸變區域,無畸變的晶核開始形成和長大,并替代含有高位錯密度的變形晶粒,發生再結晶,流變應力降低,最后加工硬化與動態再結晶軟化機制處于動態平衡,曲線趨于平穩.

比較圖1中的四幅圖可以看出,隨著應變的增加,流變應力出現兩種類型,一種是在較低溫度,如650 ℃下,曲線先增加隨后趨于平緩,即動態回復型;另一種是在800 ℃低應變速率0.01 s-1下曲線先增加,隨后出現峰值,最后趨于平緩,屬于動態再結晶型.總的來說在該試驗條件下,該合金是熱敏感性合金[12].

圖1 熱壓縮變形真應力-應變曲線

2.1.2 應變速率對試驗合金流變應力的影響

圖2為試驗合金在不同溫度下的熱壓縮變形真應力-應變曲線.

圖2 不同溫度下熱壓縮變形真應力-應變曲線

試驗合金在高溫變形時,分為非穩態變形和穩態變形兩個階段.在非穩態階段,位錯的交滑移引起的軟化作用不足以補償位錯密度的增加而引起的強化;隨著變形量的增大,位錯重新分布,在晶粒內部形成亞晶,在高畸變區,開始形成無畸變的晶核,晶核長大取代具有高位錯密度的變形晶粒,發生動態再結晶,軟化作用顯著,當軟化與硬化達到動態平衡時,變形進入穩態流變階段.隨著應變速率的增加,平衡位錯濃度提高,從而提高了合金變形時的臨界分切應力,此時只有提高變形溫度才能提供更大的軟化速率去平衡因應變速率的增加而引起的硬化速率的增大.所以,隨著應變速率的增加,以相同應變量進入穩態流變階段的變形溫度也同時升高.

800 ℃高溫下,試驗合金在變形程度較小的情況下進入穩態流變,此時應變速率較高,如圖2(b)所示。這是因為變形溫度對應變速率的補償作用顯著,能使合金較早地進入穩態變形階段;當變形溫度較低時,如600 ℃,合金進入穩態變形所需的變形程度較大,這是由于變形溫度對應變速率的補償作用不明顯.此外,當應變速率小于0.1時,合金進入穩態流變所需的變形量最小.

2.2 試驗合金高溫壓縮過程中組織演變

圖3為試驗合金在溫度為600～800 ℃、應變速率為0.01～5 s-1下的顯微組織照片.

圖3 不同溫度和應變速率下熱壓縮時的顯微組織

3 結 論

(1) Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金在變形溫度為600～800 ℃、應變速率為0.01～5 s-1的試驗條件下,當溫度一定時,合金的流變應力隨應變速率的增大而升高;應變速率相同時,合金的流變應力隨溫度的升高而降低,說明在該試驗條件下,合金具有正的應變速率敏感性.

(2) 變形溫度越高,應變速率越低,Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金越易發生動態再結晶,動態再結晶是熱變形過程中的主要軟化機制.

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