Cu-Zr和Cu-Ag-Zr合金的高溫拉伸性能研究

張超

(江蘇科技大學張家港校區冶金與材料工程學院,江蘇張家港 215600)

Cu-Zr和Cu-Ag-Zr合金的高溫拉伸性能研究

張超

(江蘇科技大學張家港校區冶金與材料工程學院,江蘇張家港 215600)

研究了Cu-0.2%Zr合金和Cu-3%Ag-0.5%Zr合金的高溫拉伸性能。材料熱處理工藝為：固溶920℃×lh，水冷；縱向冷變形30%；時效450℃×3h，空冷，試驗溫度500℃。結果表明，CuAgZr合金組織均勻性高于CuZr合金，CuAgZr合金抗拉強度和屈服強度均比CuZr合金高出50MPa～60MPa，結果符合Hall-Petch關系。兩種合金的高溫拉伸斷裂方式均為沿晶韌性斷裂，CuZr合金比CuAgZr合金具有更好的塑性。

Cu-0.2Zr合金 Cu-3Ag-0.5Zr合金 高溫拉伸 韌性斷裂

銅具有優良的導熱性、導電性、耐蝕性等特性，被廣泛應用于各行業[1]。大量研究結果表明，微量Zr的加入可以提高銅的強度、軟化溫度和耐磨性[2]，Ag的加入可以提高銅的軟化溫度、高溫強度，且Ag可以促進Zr的析出。目前兩種材料在航天領域的應用愈來愈多，因此研究材料的高溫性能，逐步建立自主的材料知識體系已迫在眉睫。本文對熱處理后的Cu-Zr和Cu-Ag-Zr合金進行了高溫拉伸試驗，探討了組織對兩種材料高溫拉伸性能的影響，希望通過本試驗為后續研究材料的高溫力學性能提供一些理論依據及研究基礎。

1 合金熱處理組織

CuZr合金熱處理后時效態組織存在不均勻性，晶界比較雜亂，晶粒直徑約為100μm～120μm。基體中存在許多黑點，為析出的顆粒狀第二相質點，大小相同。通過能譜分析確定其元素為Cu和Zr，Cu元素質量百分比為55．05%，Zr元素質量百分比為44．95%。造成這一結果的原因可能為：CuZr合金在凝固過程中發生過共晶反應(0．2%Zr在相圖上為過共晶點)，當0．2%Zr成分的CuZr合金自液相凝固過程中，冷卻到CD線以下溫度時，將產生銅鋯化合物，在室溫下材料中存在α相以及少量的銅鋯化合物相。溫度的因素使得原本存在于基體中的銅鋯化合物在固溶階段未完全溶解，在基體中殘留下來。粗大的銅鋯粒子會降低合金的韌性和導電性[3]，人們已努力嘗試在熔鑄及固溶過程中盡量避免，但目前為止仍沒有找到根除的有效方法。

CuAgZr合金熱處理后時效態顯微組織中存在典型的退火孿晶組織，孿晶帶兩側互相平行的孿晶界屬于共格關系，由(111)組成。晶界較CuZr合金平直，晶粒直徑約為60μm～80μm，晶粒尺寸小于CuZr合金。CuAgZr材料熱處理后基體組織中存在細小的初生相，其元素組成為Cu、Ag和Zr。

2 合金高溫拉伸力學性能

將CuZr和CuAgZr合金的高溫拉伸試樣在773K溫度、應變速率為5mm/min的參數下進行拉伸。CuAgZr合金試樣其抗拉強度和屈服強度比CuZr合金試樣要高出50～60MPa。對于面心立方的多晶體合金，晶粒度對屈服強度有顯著的影響。本試驗兩種合金經過固溶-時效處理后，CuAgZr晶粒尺寸小于CuZr合金晶粒，表現出晶粒尺寸越小其高溫拉伸強度和屈服強度越高的特征，結果符合Hall-Petch關系。

試驗中應變速率的提高會使延伸率及斷面收縮率增加，但對斷面收縮率的影響要比對延伸率的影響小的多，因而采用斷面收縮率作為高溫拉伸試驗的塑性性能指標比采用延伸率為佳。CuZr合金高溫斷面收縮率為83．9%，CuAgZr合金高溫斷面收縮率為50．9%，CuZr合金比CuAgZr合金高出64．8%，表現出較好的塑性。

3 合金高溫拉伸斷口分析

CuZr、CuAgZr合金試樣在T=500℃的高溫拉伸斷口從宏觀上看，CuZr合金高溫拉伸斷口部分有明顯的氧化痕跡，斷口呈杯錐狀，無明顯放射區，而且頸縮現象非常明顯。斷口表面凹凸不平，存在較多孔洞。從微觀上看，斷口中部分布著大量韌窩，韌窩大小不一。CuAgZr合金宏觀斷口斷面較大，為典型的杯錐狀斷口，由纖維區和剪切唇區組成，頸縮現象沒有CuZr合金明顯，剪切唇表面較光滑，與拉伸軸呈45度左右的夾角，微觀斷口處韌窩大小基本相同，為等軸狀韌窩，且韌窩大小比CuZr合金小的多。在韌窩底部都能看到第二相質點的存在，而且CuZr合金韌窩壁上可見蛇形的滑移線，兩種合金均為沿晶韌性斷裂。

韌窩特征的形成機理為空洞聚集，首先在材料內部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長大并和其他空洞連接在一起就形成了韌窩斷口。通常，塑性越差的材料越難以發生頸縮，將生成更多的顯微空洞或通過剪切斷裂而連接，因此導致韌窩變小，變淺。通過對比兩種合金的高溫拉伸斷口，也表現出同樣的特征。

4 結語

(1)兩種合金經過熱處理后，CuZr合金基體中存在顆粒狀第二相質點，出現這一現象的原因可能是材料從液相凝固到室溫后，基體中已經存在銅鋯化合物相，在固溶階段由于溫度因素使得銅鋯化合物未完全溶解而在基體中殘留下來。固溶-時效后，CuAgZr合金晶粒度尺寸小于CuZr合金。

(2)在T=500℃下，CuAgZr合金抗拉強度和屈服強度均比CuZr合金高出50MPa～60MPa，結果符合Hall-Petch關系。

(3)兩種合金的高溫拉伸斷裂方式均為沿晶韌性斷裂，且韌窩處存在第二相粒子。韌窩尺寸較小、深度較淺的CuAgZr合金抗拉強度較大。CuZr合金比CuAgZr合金具有更好的塑性。

[1]麻向駿,王偉民.導電銅合金強化的研究現狀[J].機械研究與應用,1998,1:48.

[2]賈淑果,劉平,鄭茂盛,等.微量Zr對Cu-Ag合金力學性能的影響[J].功能材料,2007,38:494-496

[3]宋練鵬,孫偉,尹志民.Ag和Zr對Cu-Ag-Zr合金組織能性能的影響[J].2006.