Cu-Cr-Zr合金熱變形行為

許倩倩, , , ,

(河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽 471003)

Cu-Cr-Zr合金熱變形行為

許倩倩,張毅,田保紅,劉勇,李瑞卿

(河南科技大學 材料科學與工程學院,河南 洛陽471003)

在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上,采用高溫等溫壓縮試驗,在變形溫度650～850℃、應變速率0.001～10s-1和總壓縮應變量50%的條件下,對Cu-Cr-Zr合金的流變應力行為進行研究.通過應力-應變曲線和顯微組織圖分析了合金在不同應變速率、不同應變溫度下的變化規律.結果表明:應變速率和變形溫度對合金再結晶影響較大,變形溫度越高,合金越容易發生動態再結晶;應變速率越小,合金也同樣容易發生動態再結晶,并且對應的峰值應力也越小.從流變應力、應變速率和溫度的相關性,得出了該合金熱壓縮變形時的熱變形激活能Q和流變應力方程.研究分析Cu-Cr-Zr合金的熱加工性能,可為生產實踐提供理論指導與借鑒.

Cu-Cr-Zr合金; 熱模擬; 流變應力; 加工圖

0 前 言

銅及銅合金由于具有良好的導電、導熱、耐蝕和可焊等優良特性被廣泛應用于電子、機械和國防等諸多領域,對國民經濟和科技發展起著重要的作用.Cu-Cr系合金經適當的形變和熱處理后具有較高的強度和硬度,良好的導電、導熱性及抗腐蝕性,因此被廣泛應用于制備電阻焊電極、觸頭材料、集成電路、電力火車架空導線和連鑄機結晶器內襯等對材料性能要求較高的領域[1-3].Cu-Cr-Zr合金也以其優良的綜合性能,引起了材料界的廣泛關注,國內外的學者已進行了大量相關的研究,并取得了許多成果.

高強度高導電性Cu-Cr-Zr合金作為高性能時效強化型銅合金是目前研制出來的少數能夠滿足超大規模集成電路性能要求的高強高導框架材料之一[4-6].

本文在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上,采用高溫等溫壓縮試驗,對Cu-Cr-Zr合金的流變應力進行研究,觀察合金高溫熱壓縮變形的真應力-真應變試驗曲線,從而分析高溫壓縮下合金的流變應力的變化規律.計算該合金的熱變形激活能Q,并確定其流變應力方程為實際生產提供理論依據.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用銅合金中Cr的質量分數為0.4%,Zr的質量分數為0.1%,余量為Cu.試驗用銅合金在ZG-0.01-40-4型真空中頻感應爐中熔煉而成,澆注溫度為1 200～1 250 ℃.合金的固溶處理在RJX-2.5-10型箱式電阻爐中進行,處理工藝為850 ℃×2 h,隨后水淬.壓縮試驗采用固溶后的合金,壓縮試樣尺寸為φ8 mm×12 mm.

試樣以10 ℃/s的速度加熱至900 ℃,保溫3 min,然后以5 ℃/s的冷卻速度冷卻至不同的變形溫度,隨之以不同工藝變形.

1.2 變形條件的主要參數

變形溫度:650、700、750、800和850 ℃;

應變速率:0.001、0.1、1和10 s-1;

總壓縮變形量:約為0.5.

2 結果與討論

圖1為試驗合金在不同變形條件下高溫熱壓縮變形的真應力-真應變曲線.

圖1 試驗合金熱壓縮變形的真應力-真應變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of the alloy at different hot compression temperatures and strain rates

從圖1中可以看出,變形開始時,隨著變形量的增加,真應力顯著增加;當真應變ε超過一定值后,真應力隨應變量的繼續增大而不發生明顯變化,即合金高溫壓縮變形時出現穩態流變特征.合金在同樣的變形溫度下,隨應變速率的增加,材料的真應力升高.如合金在800 ℃變形時,應變速率由0.001 s-1升高到10 s-1時,峰值應力由44.88 MPa升高到128.55 MPa.這說明該合金是正應變速率敏感材料.同時還可以看出,在相等的應變速率條件下,合金的真應力隨溫度的升高而顯著降低,說明溫度對試驗合金的流變應力有很大的影響.

圖2為試驗合金高溫熱壓縮變形下,變形溫度和應變速率對峰值應力的影響.由圖2可見,當變形溫度一定時,峰值應力隨變形速率增加而增加;當變形速率一定時,峰值應力隨變形溫度的不斷升高而降低,這種變化趨勢與應力-應變曲線的類型無關.

圖2 形變參數對峰值應力的影響Fig.2 Influence of deformation parameters on the peak stress

3 熱激活能的求解

通常可采用Sellars等[7]提出的雙曲正弦形式加以描述:

(1)

式中:F(σ)為應力的函數,在不同的條件下有三種不同的形式[6]:

α=β/n

(5)

因此,式(1)可表示為:

(6)

另外,Sellars[7]提出熱變形條件通常可用Zener-Hollomon參數Z來描述:

(7)

利用以上公式通過求導代入等運算可以得到:

(8)

圖3 不同溫度下應變速率和流變應力之間的關系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate at different temperatures

由圖4(a)五條直線的斜率平均值可得n2=8.883 025;由圖4(b)可得到四條直線斜率的平均值K=5.824 225.根據Q=nRK,計算求得Q=430.139 2 kJ/mol.

圖5為T=850 ℃時,變形量為0.5的試驗合金金相組織照片.

圖5(a)為原始固溶態的組織圖片.從圖中可以清晰地分辨出晶粒;圖5(b)的應變速率為0.001 s-1,此時組織完全發生了動態再結晶,晶粒明顯長大,故熱塑性較差;圖5(c)的應變速率為0.1 s-1,已完全發生動態再結晶,晶粒有長大的趨勢;圖5(d)的應變速率為1 s-1,此時組織已完全發生動態再結晶,且晶粒細小,組織的熱塑性最好;圖5(e)的應變速率為10 s-1,此時應變速率快,變形量大,組織瞬間產生大變形,晶粒被壓扁,使得晶粒垂直方向和水平方向上的性能產生較大差異,且導致應力集中,容易出現楔形裂紋.

圖4 流變應力與應變速率和變形溫度之間的關系Fig.4 Relationship between peak stress and strain rateand peak stress and temperatures

圖5 T=850 ℃時變形量為0.5的試驗合金金相組織照片Fig.5 Optical microstructure of the alloy at different strain rates of hot compression

4 結 論

(1) 試驗合金高溫壓縮變形時,流變應力強烈地取決于應變速率和應變溫度,流變應力隨變形溫度升高而降低,隨應變速率提高而增大,說明在該試驗條件下,該合金具有正的應變速率敏感性.

(2) 試驗合金在750～850 ℃變形溫度、0.1～1 s-1應變速率條件下,動態再結晶是其主要的軟化機制.

(3) 試驗合金熱變形激活能為Q=430.139 2 kJ/mol.

[1]趙冬梅, 董企銘, 劉平, 等.銅合金引線框架材料的發展[J].材料導報, 2001, 15(5) :18-20.

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[7]Sellars C M,Mctegart W J.On the mechanism of hot deformation[J].ActaMetall, 1966, 14:1136-1138.

StudyonHotDeformationofCu-Cr-ZrAlloy

XUQian-qian,ZHANGYi,TIANBao-hong,LIUYong,LIRui-qing

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China)

The flow stress behavior of Cu-Cr-Zr alloy during hot compression deformation was studied through making isothermal compression test at Gleeble-1500D thermal-mechanical simulator at the temperature from 650 ℃ to 850 ℃,the strain rate from 0.001 s-1to 10 s-1and under the maximum strain of 50%.The change of Cu-Cr-Zr alloy was observed under different deformation temperature and different strain rate, through flow stress-strain curve and microstructure graph.Test results show that the higher deformation temperature or the smaller strain rate is,the easier dynamic re-crystallization of the alloy will occur.At the same time, the corresponding peak stress value becomes smaller.Both the hot deformation activation energyQand constitutive equation can be derived from the correlativity of flow stress,strain rate and temperature of this alloy.The study on Cu-Cr-Zr thermal processing figure can help analyze the thermal performance of Cu-Cr-Zr alloy,and it provides theoretical guidance and reference for production practice.

Cu-Cr-Zr alloy; thermal simulation; flow stress; processing figure

1005-2046(2014)01-0010-05

2013-09-30

國家自然科學基金(51101052);國家高新技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2006AA03Z528);河南省高等學校青年骨干教師資助計劃(2012GGJS073);河南省教育廳自然科學研究計劃(2011B430013);河南省有色金屬重點實驗室基金(2011YSKF12);河南科技大學人才科研基金項目(09001414)和河南科技大學青年科學基金(2011QN48)

許倩倩(1989-),女,碩士研究生,主要從事高強度高導電銅合金功能材料的研究.

張毅,副教授,博士.E-mail:zhshgu436@163.com.

TG146.1+1;TG113.2

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