Cu-Cr-Zr合金热变形行为

许倩倩, , , ,

(河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471003)

Cu-Cr-Zr合金热变形行为

许倩倩,张毅,田保红,刘勇,李瑞卿

(河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳471003)

在Gleeble-1500D热模拟试验机上,采用高温等温压缩试验,在变形温度650～850℃、应变速率0.001～10s-1和总压缩应变量50%的条件下,对Cu-Cr-Zr合金的流变应力行为进行研究.通过应力-应变曲线和显微组织图分析了合金在不同应变速率、不同应变温度下的变化规律.结果表明:应变速率和变形温度对合金再结晶影响较大,变形温度越高,合金越容易发生动态再结晶;应变速率越小,合金也同样容易发生动态再结晶,并且对应的峰值应力也越小.从流变应力、应变速率和温度的相关性,得出了该合金热压缩变形时的热变形激活能Q和流变应力方程.研究分析Cu-Cr-Zr合金的热加工性能,可为生产实践提供理论指导与借鉴.

Cu-Cr-Zr合金; 热模拟; 流变应力; 加工图

0 前 言

铜及铜合金由于具有良好的导电、导热、耐蚀和可焊等优良特性被广泛应用于电子、机械和国防等诸多领域,对国民经济和科技发展起着重要的作用.Cu-Cr系合金经适当的形变和热处理后具有较高的强度和硬度,良好的导电、导热性及抗腐蚀性,因此被广泛应用于制备电阻焊电极、触头材料、集成电路、电力火车架空导线和连铸机结晶器内衬等对材料性能要求较高的领域[1-3].Cu-Cr-Zr合金也以其优良的综合性能,引起了材料界的广泛关注,国内外的学者已进行了大量相关的研究,并取得了许多成果.

高强度高导电性Cu-Cr-Zr合金作为高性能时效强化型铜合金是目前研制出来的少数能够满足超大规模集成电路性能要求的高强高导框架材料之一[4-6].

本文在Gleeble-1500D热模拟试验机上,采用高温等温压缩试验,对Cu-Cr-Zr合金的流变应力进行研究,观察合金高温热压缩变形的真应力-真应变试验曲线,从而分析高温压缩下合金的流变应力的变化规律.计算该合金的热变形激活能Q,并确定其流变应力方程为实际生产提供理论依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用铜合金中Cr的质量分数为0.4%,Zr的质量分数为0.1%,余量为Cu.试验用铜合金在ZG-0.01-40-4型真空中频感应炉中熔炼而成,浇注温度为1 200～1 250 ℃.合金的固溶处理在RJX-2.5-10型箱式电阻炉中进行,处理工艺为850 ℃×2 h,随后水淬.压缩试验采用固溶后的合金,压缩试样尺寸为φ8 mm×12 mm.

试样以10 ℃/s的速度加热至900 ℃,保温3 min,然后以5 ℃/s的冷却速度冷却至不同的变形温度,随之以不同工艺变形.

1.2 变形条件的主要参数

变形温度:650、700、750、800和850 ℃;

应变速率:0.001、0.1、1和10 s-1;

总压缩变形量:约为0.5.

2 结果与讨论

图1为试验合金在不同变形条件下高温热压缩变形的真应力-真应变曲线.

图1 试验合金热压缩变形的真应力-真应变曲线Fig.1 True stress-true strain curves of the alloy at different hot compression temperatures and strain rates

从图1中可以看出,变形开始时,随着变形量的增加,真应力显著增加;当真应变ε超过一定值后,真应力随应变量的继续增大而不发生明显变化,即合金高温压缩变形时出现稳态流变特征.合金在同样的变形温度下,随应变速率的增加,材料的真应力升高.如合金在800 ℃变形时,应变速率由0.001 s-1升高到10 s-1时,峰值应力由44.88 MPa升高到128.55 MPa.这说明该合金是正应变速率敏感材料.同时还可以看出,在相等的应变速率条件下,合金的真应力随温度的升高而显著降低,说明温度对试验合金的流变应力有很大的影响.

图2为试验合金高温热压缩变形下,变形温度和应变速率对峰值应力的影响.由图2可见,当变形温度一定时,峰值应力随变形速率增加而增加;当变形速率一定时,峰值应力随变形温度的不断升高而降低,这种变化趋势与应力-应变曲线的类型无关.

图2 形变参数对峰值应力的影响Fig.2 Influence of deformation parameters on the peak stress

3 热激活能的求解

通常可采用Sellars等[7]提出的双曲正弦形式加以描述:

(1)

式中:F(σ)为应力的函数,在不同的条件下有三种不同的形式[6]:

α=β/n

(5)

因此,式(1)可表示为:

(6)

另外,Sellars[7]提出热变形条件通常可用Zener-Hollomon参数Z来描述:

(7)

利用以上公式通过求导代入等运算可以得到:

(8)

图3 不同温度下应变速率和流变应力之间的关系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate at different temperatures

由图4(a)五条直线的斜率平均值可得n2=8.883 025;由图4(b)可得到四条直线斜率的平均值K=5.824 225.根据Q=nRK,计算求得Q=430.139 2 kJ/mol.

图5为T=850 ℃时,变形量为0.5的试验合金金相组织照片.

图5(a)为原始固溶态的组织图片.从图中可以清晰地分辨出晶粒;图5(b)的应变速率为0.001 s-1,此时组织完全发生了动态再结晶,晶粒明显长大,故热塑性较差;图5(c)的应变速率为0.1 s-1,已完全发生动态再结晶,晶粒有长大的趋势;图5(d)的应变速率为1 s-1,此时组织已完全发生动态再结晶,且晶粒细小,组织的热塑性最好;图5(e)的应变速率为10 s-1,此时应变速率快,变形量大,组织瞬间产生大变形,晶粒被压扁,使得晶粒垂直方向和水平方向上的性能产生较大差异,且导致应力集中,容易出现楔形裂纹.

图4 流变应力与应变速率和变形温度之间的关系Fig.4 Relationship between peak stress and strain rateand peak stress and temperatures

图5 T=850 ℃时变形量为0.5的试验合金金相组织照片Fig.5 Optical microstructure of the alloy at different strain rates of hot compression

4 结 论

(1) 试验合金高温压缩变形时,流变应力强烈地取决于应变速率和应变温度,流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率提高而增大,说明在该试验条件下,该合金具有正的应变速率敏感性.

(2) 试验合金在750～850 ℃变形温度、0.1～1 s-1应变速率条件下,动态再结晶是其主要的软化机制.

(3) 试验合金热变形激活能为Q=430.139 2 kJ/mol.

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[5]赵美,王自东,林国,等.高强高导Cu-Cr-Zr系合金的研究进展[J].材料热处理技术,2007,36(5):455-461.

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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

国家自然科学基金(51101052);国家高新技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA03Z528);河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2012GGJS073);河南省教育厅自然科学研究计划(2011B430013);河南省有色金属重点实验室基金(2011YSKF12);河南科技大学人才科研基金项目(09001414)和河南科技大学青年科学基金(2011QN48)

许倩倩(1989-),女,硕士研究生,主要从事高强度高导电铜合金功能材料的研究.

张毅,副教授,博士.E-mail:zhshgu436@163.com.

TG146.1+1;TG113.2

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