Cu-Cr-Zr-Y合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及微觀組織演化*

柴　哲，張　毅，李瑞卿，許倩倩，田保紅，劉　勇，劉　平

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；

3. 有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

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Cu-Cr-Zr-Y合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及微觀組織演化*

柴哲1,3，張毅1,3，李瑞卿1,3，許倩倩1,3，田保紅1,3，劉勇1,3，劉平2

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；

3. 有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

摘要：通過(guò)在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫等溫壓縮試驗(yàn)，對(duì)Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金在應(yīng)變速率為0.001～10 s-1、變形溫度為650～850 ℃、最大變形程度為50%條件下的流變應(yīng)力行為進(jìn)行了研究。分析了該合金在高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力和應(yīng)變速率及變形溫度之間的關(guān)系，并研究了在熱壓縮過(guò)程中組織的變化。結(jié)果表明，熱模擬試驗(yàn)中，應(yīng)變速率和變形溫度的變化強(qiáng)烈地影響合金流變應(yīng)力的大小，流變應(yīng)力隨變形溫度升高而下降，隨應(yīng)變速率提高而增大。從應(yīng)變速率、流變應(yīng)力和溫度的相關(guān)性，得出了該合金高溫?zé)釅嚎s變形時(shí)的應(yīng)力指數(shù)(n)、應(yīng)力參數(shù)(α)、結(jié)構(gòu)因子(A)、熱變形激活能(Q)和流變應(yīng)力方程，變形溫度對(duì)合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為有強(qiáng)烈影響。

關(guān)鍵詞：Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金；高溫壓縮；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；本構(gòu)方程

1引言

引線框架材料是集成電路和半導(dǎo)體元器件封裝的關(guān)鍵部件，在集成電路中引線框架和封裝材料起著固定芯片、保護(hù)內(nèi)部元件、傳遞電信號(hào)并向外散發(fā)元件熱量的作用。由于其要求材料具備高抗張強(qiáng)度、較高的彈性極限、較高的彈性模量、較好的抗應(yīng)力松弛特性、高導(dǎo)電率等特點(diǎn)，具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率和良好的熱導(dǎo)性能的Cu-Cr-Zr系列合金得到了很大發(fā)展。但是國(guó)內(nèi)在該類合金的研制方面起步較晚[l-4]，并且國(guó)內(nèi)外對(duì)Cu-Cr-Zr系合金的研究多集中在析出行為，對(duì)其熱變形行為研究較少[5-8]。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y引線框架合金在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，在變形溫度為650～850 ℃、應(yīng)變速率為0.001～10 s-1和變形量為50%的條件下，進(jìn)行了圓柱體高溫單道次軸對(duì)稱壓縮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)合金熱壓縮變形流變應(yīng)力與變形程度、應(yīng)變速率以及變形溫度之間的關(guān)系，計(jì)算出該合金的熱變形激活能Q，并確定了其本構(gòu)方程，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)合金在ZG-0.01型真空中頻感應(yīng)熔煉爐熔煉而成，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Cr0.4，Zr0.15，Y0.04，余量為銅，澆鑄溫度為1 200～1 250 ℃。在RJX-2.5-10型箱式電阻爐中，經(jīng)過(guò)工藝為950 ℃×1 h的固溶處理后水淬，圖1為固溶后組織。固溶后合金在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮試樣尺寸為?8 mm×12 mm，實(shí)驗(yàn)溫度范圍為650～850 ℃，應(yīng)變速率為0.001～10 s-1，總壓縮應(yīng)變量約0.5(真應(yīng)變)，熱模擬實(shí)驗(yàn)的升溫速率為10 ℃/s。在加熱到預(yù)熱溫度后，保溫3 min以使溫度均勻化，然后壓縮實(shí)驗(yàn)。壓縮前在試樣兩端墊上石墨鉭片作為潤(rùn)滑介質(zhì)，以減少摩擦對(duì)試樣應(yīng)力狀態(tài)的影響。壓縮后水淬，以保留其高溫組織，利用OLYMPUS PMG3型顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察。

圖1Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金950 ℃×1 h固溶處理后的顯微組織

Fig 1 Microstructure of Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y alloy after solution treatment at 950 ℃×1 h

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金流變應(yīng)力分析

圖2為Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金高溫?zé)釅嚎s變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線。從圖2中可以看出，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)實(shí)驗(yàn)合金的流變應(yīng)力均有顯著影響，在一定的應(yīng)變速率下，變形溫度越高，所對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力越低。當(dāng)變形溫度不變的時(shí)候，應(yīng)變速率越高，所對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力也越大。說(shuō)明Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金是熱敏感型合金且具有正的應(yīng)變速率敏感性。

圖2　Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金熱壓縮變形真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig 2 The true stress-true strain curves of Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y alloy at different hot compression temperatures and strain rates

圖中曲線可以分為兩類。第一類為動(dòng)態(tài)回復(fù)型，如在較低溫度如650 ℃和大應(yīng)變速率10 s-1條件下，整個(gè)過(guò)程中曲線沒(méi)有明顯的峰值，最終趨于穩(wěn)定；另一類為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型，如在溫度850 ℃和應(yīng)變速率為0.001 s-1條件下，應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后應(yīng)力下降至一穩(wěn)定態(tài)值保持不變，應(yīng)力峰值的出現(xiàn)是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果。熱變形過(guò)程中熱激活能控制著軟化機(jī)制，軟化率隨著變形速率的增加而降低，說(shuō)明Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為是在較高溫度下進(jìn)行的。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于加工硬化效應(yīng)和動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制的綜合作用[9]。這是因?yàn)榻饘俚母邷刈冃问且粋€(gè)熱激活過(guò)程，溫度升高為位錯(cuò)的滑移、攀移和晶界的遷移提供能量，熱激活過(guò)程隨之增強(qiáng)。位錯(cuò)增殖帶來(lái)的位錯(cuò)密度急劇增加，產(chǎn)生固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使得合金繼續(xù)變形要不斷增加外力以克服位錯(cuò)間強(qiáng)大的交互作用力，在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為變形抗力的急劇上升，這就是所謂的加工硬化效應(yīng)；金屬經(jīng)歷回復(fù)階段后進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，此時(shí)由加工硬化造成的位錯(cuò)密度會(huì)有所下降，金屬缺陷降低，宏觀上表現(xiàn)為流變應(yīng)力下降。熱激活決定了形核和再結(jié)晶的過(guò)程，所以溫度的微小變化會(huì)使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成時(shí)間有很大的波動(dòng)。隨著溫度的升高，合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核率、晶粒長(zhǎng)大速率均增加，促使位錯(cuò)密度急劇下降，流變應(yīng)力很快降低。

3.2Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金熱變形激活能與流變應(yīng)力方程

(1)

式中，A、α為與材料有關(guān)的常數(shù)；n為與應(yīng)變速率敏感性相關(guān)的指數(shù)；Z為Zener-Hollomon參數(shù)[14]，可將其定義為

(2)

式中，Q為變形激活能，R為氣體常數(shù)。

將式(1)帶入式(2)得

(3)

將式(3)兩邊取偏微分可得

(4)

為了獲得該合金準(zhǔn)確的本構(gòu)方程，需確定A、n、α和Q的值。根據(jù)圖3，4，5的線性回歸分析可獲得上述參量的值為A=1.723×1014，n=7.122，α=0.0143， Q=335.994 kJ/mol，由此可得Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金的本構(gòu)方程為

圖3　不同溫度時(shí)峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系

Fig 3 Relationship between peak stress and strain rate at different temperatures

圖4　峰值應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系

Fig 4 Relationship between peak stress and temperature

圖5　峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系

Fig 5 Relationship between peak stress and Zener-Hollomon parameter

3.3變形溫度對(duì)Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金形變組織的影響

圖6為Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金在變形速率為0.1 s-1時(shí)，熱壓縮后不同溫度下的顯微組織(水平方向?yàn)閴嚎s方向)。從圖6(a)中可以看到，當(dāng)溫度較低時(shí)，晶粒沿垂直于壓縮方向上被拉長(zhǎng)；伴隨溫度的上升，晶粒繼續(xù)變形，晶界開始出現(xiàn)模糊，局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核，如圖6(b)所示。隨著溫度的繼續(xù)升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所形核的區(qū)域逐漸增多，被拉長(zhǎng)晶粒的晶界更加模糊，如圖6(c)所示。

當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，被拉長(zhǎng)且較大的晶粒基本上已被再結(jié)晶晶粒所取代，只能看到很少的拉長(zhǎng)晶粒，如圖6(d)所示；溫度的進(jìn)一步升高為再結(jié)晶的形核長(zhǎng)大提供了驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)溫度達(dá)到850 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核長(zhǎng)大成為細(xì)小的等軸晶，且完全取代了被拉長(zhǎng)的晶粒，如圖6(e)所示。

4結(jié)論

(1)Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金高溫壓縮變形時(shí)，流變應(yīng)力隨變形溫度升高而降低，隨應(yīng)變速率提高而增大。當(dāng)溫度高于750 ℃時(shí)，合金流變曲線呈明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，當(dāng)溫度低于750 ℃時(shí)，合金流變曲線表現(xiàn)為明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。

(2)從流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和溫度的相關(guān)性，得出Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金高溫?zé)釅嚎s變形時(shí)的熱變形激活能Q=335.994 kJ/mol和流變應(yīng)力方程

(3)從顯微組織觀察到，當(dāng)變形溫度高于800 ℃時(shí)，Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y合金發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。可見(jiàn)，合金高溫壓縮變形時(shí)的顯微組織強(qiáng)烈受到變形溫度的影響。

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Dynamic recrystallization behavior and microstructure evolution of Cu-Cr-Zr-Y alloy

CHAI Zhe1,3, ZHANG Yi1,3, LI Ruiqing1,3，XU Qianqian1,3, TIAN Baohong1,3,>LIU Yong1,3, LIU Ping2

(1. College of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003, China;2. College of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,hanghai 200093, China;3. Collaborative Innovation Center of Nonferrous Metals, Luoyang 471003, China)

Abstract:The flow stress behavior of Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y alloy during hot compression was studied by isothermal compression test at a Gleeble-1500D thermal-mechanical simulator at the temperature from 650 to 850 ℃ and at the strain rate from 0.001 to 10 s-1under maximum strain of 50%. The relationship among the flow stress, strain rates and deformation temperatures was studied. The microstructure of the experimental alloy was studied in the process of hot-compression. The results show that the flow stress is controlled by both strain rate and deforming temperature, the flow stress decreases with the increase of deforming temperature, while increases with the increase of strain rate. Stress index n, stress scale parameterα, structural factor A, hot deformation activation energy Q, and constitutive equation were derived from the correlativity of flow stress, strain rate and temperature. Microstructure of the alloy strongly depends on deformation temperature.Key words: Cu-0.4Cr-0.15Zr-0.04Y; hot temperature deformation; dynamic recrystallization; constitutive equation

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.021

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG146.1

作者簡(jiǎn)介：柴哲(1985-)，男，河南周口人，在讀碩士，師承張毅副教授，主要從事高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅合金功能材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51101052)；國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2006AA03Z528)；河南省高等學(xué)校青年骨干教師計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012GGJS-073)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01102-04

收到初稿日期：2015-01-14 收到修改稿日期：2015-07-31 通訊作者：張毅，E-mail: zhshgu436@163.com