Al2O3/Cu彌散強化銅合金應力松弛行為

趙亞永，張彥敏,b，宋克興,b

(河南科技大學 a.材料科學與工程學院;b.有色金屬共性技術河南省協同創新中心,河南 洛陽 471023)

?

Al2O3/Cu彌散強化銅合金應力松弛行為

趙亞永a，張彥敏a,b，宋克興a,b

(河南科技大學 a.材料科學與工程學院;b.有色金屬共性技術河南省協同創新中心,河南 洛陽 471023)

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

0　引言

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

國內外學者對不同材料的應力松弛行為進行了較深入的研究。文獻[9]對應力松弛與蠕變之間的關聯性進行了分析比較，證明在較高的溫度下應力松弛與蠕變曲線有很好的對應關系。文獻[10]根據位錯熱激活理論，認為在B87C-6彈簧的應力松弛過程中，可動位錯在應力作用下發生了移動，直到移動被晶界阻止，松弛才逐漸減緩，進入穩態松弛階段。文獻[11]研究了TC4合金在400 ℃和600 ℃時的應力松弛行為，利用二次延遲函數對應力松弛數據進行了精確擬合，發現應力與應變速率的關系曲線可分為高應力階段和低應力階段，兩個階段對應的速率應力指數不同，產生這種現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及動態彎曲應力松弛特性進行研究，建立了殘余應力與時間及溫度參數的關系模型，可以準確地預測鈹銅合金的應力松弛行為。但是，目前對于Al2O3/Cu彌散強化銅合金應力松弛行為方面的研究還未見相關報道。基于此，本文以Al2O3質量分數為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質量分數為0.68%的Al2O3/Cu彌散強化銅合金拉拔態棒材，應力松弛試驗采用國家標準GB/T 12120—2013規定的金屬材料拉伸應力松弛試驗方法[14]，試驗設備為日本島津(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 ℃，初始應力取相應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準拉伸試驗方法測定)，即相應的初始應力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的初始應力，試驗過程保持試樣應變量恒定，通過電子拉伸試驗機測量試樣的應力值。當應力發生變化時，記錄應力變化值和應力發生變化的時間，最后根據應力隨時間變化情況繪制應力松弛曲線。

2　結果與討論

圖1　不同溫度下Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應力松弛曲線

2.1Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應力松弛行為

圖1為不同溫度條件下測得的Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應力松馳曲線。從圖1中可以看出：Al2O3/Cu彌散強化銅合金的應力松弛行為符合金屬材料應力松弛行為的典型特征。應力松弛行為分為兩個階段：第一階段，試樣的殘余應力衰減很快，且溫度越高，殘余應力衰減速度越大，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，殘余應力衰減速度逐漸減慢；第二階段，殘余應力衰減非常緩慢，衰減速度基本接近于0，殘余應力的衰減隨著時間延長無限趨近于某一個值，這個值就是應力松弛極限。應力松弛極限是描述材料應力松弛行為的基本參量之一，表達材料應力松弛的最終程度，如果外加應力低于應力松弛極限，則材料不會發生應力松弛行為。

表1　松弛極限時Al2O3/Cu彌散強化銅合金殘余應力衰減率隨溫度變化情況

表1為殘余應力達到應力松弛極限時，Al2O3/Cu彌散強化銅合金的殘余應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彌散強化銅合金應力松弛行為的主要因素，溫度越高，殘余應力衰減率越大，應力松弛極限越低。在室溫和100 ℃條件下，材料的應力松弛極限分別為290 MPa和272 MPa，殘余應力衰減率分別為30.7%和30.3%；當溫度為200 ℃ 和300 ℃時，材料的應力松弛極限迅速降低，分別為 25 MPa 和8 MPa，殘余應力衰減率分別達到92.4%和97.3%。這表明溫度達到200 ℃時，該合金材料內部的應力基本上完全得到松弛，材料的彈性變形基本上完全轉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，材料應力松弛越容易發生。

2.2殘余應力與時間及溫度參數關系模型的建立

對于殘余應力與時間及溫度參數相關的材料應力松弛行為，可以建立數學關系模型進行描述。本文采用二次延遲函數指數模型對Al2O3/Cu彌散強化銅合金應力松弛曲線進行擬合[15]：

σt=σ(∞)+be-t/τ1+ce-t/τ2，

(1)

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

表2　Al2O3/Cu彌散強化銅合金應力松弛曲線擬合常數

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

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

2.3應力松弛中塑性應變速率與應力的關系

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

εtotal=εe+εp；

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可得出塑性應變速率與應力的關系：

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變速率與應力的關系曲線

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

材料在熱力作用下的塑性變形，可以用塑性應變速率-應力曲線描述塑性應變速率與溫度的關系：

dεp/dt=Aσnexp(-Q/RT)，

(5)

若考慮門檻應力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為外加應力，MPa；n為速率應力指數；Q為激活能，kJ/mol；T為溫度，K；R為普適常數，R=8.314 J·mol-1·K-1；A為常數；σth為門檻應力，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)中速率應力指數n的大小可間接反映出材料應力松弛機制[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中高應力階段和低應力階段的塑性應變速率-應力曲線可分別近似為兩條具有不同斜率的直線，高應力階段的直線斜率即為對應的n值。在室溫和100 ℃時，速率應力指數n分別為8.6和7.9，說明此條件下該合金材料應力松弛機制為第二相顆粒增強；在200 ℃和300 ℃時，速率應力指數n分別為4.8和4.7，說明此條件下該合金材料應力松弛機制為位錯的攀移。

3　結論

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

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

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

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

[1]程建奕,汪明樸.高強高導耐熱彌散強化銅合金的研究現狀[J].材料導報,2004,18(2):38-41.

[2]宋克興,邢建東.Al2O3/Cu復合材料的高溫拉伸性能研究[J].金屬熱處理,2005,30(z1):185-187.

[3]張亞,宋克興,王青,等.爆炸焊制備A12O3/Cu-QCr0.5復合板工藝及性能[J].河南科技大學學報(自然科學版),2013,34(6):9-12,18.

[4]李斌,劉貴民,丁華東,等.彌散強化銅合金的研究現狀[J].材料導報A(綜述篇),2012,26(9):107-111.

[5]蘇德達.彈簧(材料)應力松弛及預防[M].天津:天津大學出版社,2002.

[6]李憶蓮,韓雅靜,于淑驄,等.鈹青銅的應力松弛性能及組織[J].中國有色金屬學報,1991,3(1):62-65.

[7]肖翔鵬,劉瑞清,陳輝明,等.Co對Cu-Ni-Si合金應力松弛行為的影響[J].材料導報B(研究篇),2015,29(5):148-151.

[8]蘇德達,李憶蓮,肖林.銅合金應力松弛性能及其影響因素的研究[J].天津大學學報,1991(3):86-92.

[9]CHANDLER H D.A Comparison between steady state creep and stress relaxation in copper[J].Materials science and engineering,2010,527:6219-6223.[10]高紅,夏月波.彈性材料動態應力松弛機理的研究[J].鞍山師范學院學報,1999,1(1):91-94.

[11]劉勇.朱景川.尹鐘大,等.TC4合金應力松弛行為[J].金屬學報,2002,38(z1):255-257.

[12]張新明,毛新平,鄧至謙,等.鈹銅帶材彎曲應力松弛的力學行為[J].中國有色金屬學報,2001,11(6):988-992.

[13]毛新平,張新明,鄧至謙,等.鈹銅合金抗應力松弛穩定性能及組織的研究[J].湖南有色金屬,2001,17(1):30-34.

[14]全國鋼標準化技術委員會.金屬材料拉伸應力松弛試驗方法:GB/T 12120—2013[S].北京:中國標準出版社,2013.

[15]平修二,郭廷瑋,李安定,等.金屬材料的高溫強度理論設計[M].北京:科學出版社,1983.

[16]NIRMAL K S,SHOMA S.Stress relaxation at high temperatures and the role of delayed elasticity[J].Materials science and engineering,2005,393(1):179-190.

[17]劉勇,朱景川,尹鐘大.TC4合金應力松弛行為及微觀組織觀察[J].稀有金屬,2002,26(6):509-512.

[18]米格蘭比.材料的塑性變形與斷裂[M].顏鳴皋,譯.北京:科學出版社,1998.

[19]MCKAMEY C G,MAZIASZ P J,JONES J W.Effect of molybdenum or niobium on creep-rupture properties of Fe3Al[J].Journal of materials research,1992,7:2089-2106.

國家自然科學基金項目(U1502274);河南省高校科技創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,碩士生導師,主要研究方向為有色金屬材料制備及成形技術.

2016-07-04

1672-6871(2017)01-0006-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.002

TG146.1

A