Cu-Cr-Zr-Ce合金高温流变应力的研究

李瑞卿,增祥云，张 毅,许倩倩

(河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023)

0 前 言

由于Cu-Cr-Zr合金具有高强度、高导电率和良好的导热性能等特点,被广泛应用于电力、电子和机械等工业领域,可用作热核试验反应堆(ITER)[1]偏滤器垂直靶散热片、集成电路引线框架材料[2-3]、电气工程开关触桥、热交换材料[4]、连铸机结晶器内衬、电车和电力机车架空导线[5]、高脉冲磁场导体材料以及电气化高速铁路用接触材料[6-7]等.近年来,国内对Cu-Cr-Zr合金已经进行了大量研究,并取得了显著成果,但主要集中于合金的强化方式方面[8-10].然而,通过热压缩力学行为对其热塑性的研究却少有报道.

本文针对Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金,探索其高温热压缩力学行为,研究其流变应力与变形温度、变形量及变形速度之间的关系,可为热加工工艺的制定提供理论指导.

1 试 验

合金采用纯度为99.9%(质量分数,下同)的标准阴极铜、99.5%Cr、99.5%Zr和99.5%Ce为原材料,在ZG-0.01型真空中频感应熔炼炉中熔炼而成,其最终化学成分为Cu-0.40Cr-0.15Zr-0.05Ce.合金在1 200～1 250 ℃浇铸成型后,经950 ℃×1 h固溶处理,随后加工成直径为8 mm、长度为12 mm的圆柱体,将其在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行压缩试验,试验温度为600～800 ℃,应变速率为0.01～5 s-1,总压缩应变量约为0.5(真应变).显微组织观察在OLYMPUS PMG3型显微镜上进行.

2 结果与分析

2.1 试验合金流变应力分析

2.1.1 温度对试验合金流变应力的影响

图1为试验合金在不同应变速率下的热压缩变形真应力-应变曲线.从图1中可以看出,高温下流变应力先随应变的增加迅速增大,这是由于变形初期为颗粒的滑动和塑性变形,晶粒内部位错急剧增加,加工硬化程度不断加大.随着变形的继续,位错密度达到一定程度后,变形产生的位错在高温下可获得足够的能量进行滑移和攀移,使得在滑移面上不规则的位错重新分布,异号位错相互抵消,刃型位错垂直排列成墙,从而显著地降低位错的弹性畸变能[11].当位错运动发展到一定程度时,晶粒内部被位错墙分割成许多完整的亚晶,发生动态回复.因此,流变应力的增幅随应变量的增加而减小,即曲线斜率快速减小.在更高温度下,位错达到发生动态再结晶所需的临界密度时,在高畸变区域,无畸变的晶核开始形成和长大,并替代含有高位错密度的变形晶粒,发生再结晶,流变应力降低,最后加工硬化与动态再结晶软化机制处于动态平衡,曲线趋于平稳.

比较图1中的四幅图可以看出,随着应变的增加,流变应力出现两种类型,一种是在较低温度,如650 ℃下,曲线先增加随后趋于平缓,即动态回复型;另一种是在800 ℃低应变速率0.01 s-1下曲线先增加,随后出现峰值,最后趋于平缓,属于动态再结晶型.总的来说在该试验条件下,该合金是热敏感性合金[12].

图1 热压缩变形真应力-应变曲线

2.1.2 应变速率对试验合金流变应力的影响

图2为试验合金在不同温度下的热压缩变形真应力-应变曲线.

图2 不同温度下热压缩变形真应力-应变曲线

试验合金在高温变形时,分为非稳态变形和稳态变形两个阶段.在非稳态阶段,位错的交滑移引起的软化作用不足以补偿位错密度的增加而引起的强化;随着变形量的增大,位错重新分布,在晶粒内部形成亚晶,在高畸变区,开始形成无畸变的晶核,晶核长大取代具有高位错密度的变形晶粒,发生动态再结晶,软化作用显著,当软化与硬化达到动态平衡时,变形进入稳态流变阶段.随着应变速率的增加,平衡位错浓度提高,从而提高了合金变形时的临界分切应力,此时只有提高变形温度才能提供更大的软化速率去平衡因应变速率的增加而引起的硬化速率的增大.所以,随着应变速率的增加,以相同应变量进入稳态流变阶段的变形温度也同时升高.

800 ℃高温下,试验合金在变形程度较小的情况下进入稳态流变,此时应变速率较高,如图2(b)所示。这是因为变形温度对应变速率的补偿作用显著,能使合金较早地进入稳态变形阶段;当变形温度较低时,如600 ℃,合金进入稳态变形所需的变形程度较大,这是由于变形温度对应变速率的补偿作用不明显.此外,当应变速率小于0.1时,合金进入稳态流变所需的变形量最小.

2.2 试验合金高温压缩过程中组织演变

图3为试验合金在温度为600～800 ℃、应变速率为0.01～5 s-1下的显微组织照片.

图3 不同温度和应变速率下热压缩时的显微组织

3 结 论

(1) Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金在变形温度为600～800 ℃、应变速率为0.01～5 s-1的试验条件下,当温度一定时,合金的流变应力随应变速率的增大而升高;应变速率相同时,合金的流变应力随温度的升高而降低,说明在该试验条件下,合金具有正的应变速率敏感性.

(2) 变形温度越高,应变速率越低,Cu-0.40Cr-0.10Zr-0.05Ce合金越易发生动态再结晶,动态再结晶是热变形过程中的主要软化机制.

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