ag对cu-fe原位复合材料显微组织和性能的影响14

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Ag对Cu-Fe原位复合材料显微组织和性能的影响摘要：本文研宄了3种Cu-Fe-Ag原位复合材料的显微组织与性能。通过采用X射线衍射仪分析了Fe和Ag在Cu基体中的分布。高温下，Ag的存在降低了Fe在合金中的固濟度，同时使Cu-Fe-Ag合金的强度和电导率增加。引言：在过去的二十年间，二元体心立方(bcc)Cu基金属复合材料的金属，如Nb，Fe，Cr等Cu基合金的机械加工，一直受到广泛的研究。根据合金的凝固作用，Cu基体中的bcc枝晶和随后的机械变形减少枝晶，并且变形后枝晶在横截面上上形成板条状的纤维结构。这些体心金属在Cu基体中固溶度有限，使这些合金保持了高的导电性，这种原位复合材料在高强高导方面得到广泛的应用。在这些合金中，二元Cu-Ag复合材料也进行了研宄。Cu-Fe合金系列由于成本比别的材料更加低廉，因此引起了大家广泛的研究。纯Nb和Ag都是昂贵的金属，它阻碍了这种新材料在设备上的大规模应用和高强磁Fe的推广。然而，Cu-Fe系合金的导电性比其他Cu基原位复合材料低，原因在于Cu-Fe合金在高温下存相对较高的固溶度，而且Fe在低温时析出动力缓慢；并且固溶的Fe原子对导电性能尤为有害。所以降低Fe在Cu中的固溶至关重要。Hansen和Artorc报道了固溶关系。x=2540Xexp(-8800/T),这意味着Fe在253°0下的平衡固溶度小于lppm。如果预测的固溶度在253°C可实现的，那 Ag对Cu-Fe原位复合材料显微组织和性能的影响摘要：本文研宄了3种Cu-Fe-Ag原位复合材料的显微组织与性能。通过采用X射线衍射仪分析了Fe和Ag在Cu基体中的分布。高温下，Ag的存在降低了Fe在合金中的固濟度，同时使Cu-Fe-Ag合金的强度和电导率增加。引言：在过去的二十年间，二元体心立方(bcc)Cu基金属复合材料的金属，如Nb，Fe，Cr等Cu基合金的机械加工，一直受到广泛的研究。根据合金的凝固作用，Cu基体中的bcc枝晶和随后的机械变形减少枝晶，并且变形后枝晶在横截面上上形成板条状的纤维结构。这些体心金属在Cu基体中固溶度有限，使这些合金保持了高的导电性，这种原位复合材料在高强高导方面得到广泛的应用。在这些合金中，二元Cu-Ag复合材料也进行了研宄。Cu-Fe合金系列由于成本比别的材料更加低廉，因此引起了大家广泛的研究。纯Nb和Ag都是昂贵的金属，它阻碍了这种新材料在设备上的大规模应用和高强磁Fe的推广。然而，Cu-Fe系合金的导电性比其他Cu基原位复合材料低，原因在于Cu-Fe合金在高温下存相对较高的固溶度，而且Fe在低温时析出动力缓慢；并且固溶的Fe原子对导电性能尤为有害。所以降低Fe在Cu中的固溶至关重要。Hansen和Artorc报道了固溶关系。x=2540Xexp(-8800/T),这意味着Fe在253°0下的平衡固溶度小于lppm。如果预测的固溶度在253°C可实现的，那 么Cu基体的电导率将只减少1%IACS（国际退火Cu标准，17.241uQm的定义为100%IACS）。目前己使用热机械处理来优化金强度和电导率。近年來，已作出努力拓宽三元Cu基合金原位复合材料范围。发展三元Cu-Fe复合材料通常旨在进一步提高常规二元合金的强度和电导率，并降低成本。为了使合金的流变应力-电导率达到一定的要求，加入第三种元素，使大量不同可能的动力学途径加以开发，以实现一定的流变强度和电导率综合性能。举例来说，Cu-15wt%Fe-O.lwt%Mg[13],获得了1080MPa的抗拉强度与56%IACS的电导率。Song等发现Cu-9Fe-1.2Ag合金通过热处理后具有强度/电导率的良好结合，分别为939MPa/56.2%IACS的综合性能。本文研究了Ag对Cu-Fe-Ag原位复合材料铸态和变形后的显微组织与性能的影响。实验部分分别选定三种成分研究，即Cu~12wt%fFe-lwt%Ag,Cu-14wt%Fe-3wt%Ag（标注为Cu-14Fe-3Ag）和Cu-11wt%Fe~6wt%Ag（标注为Cu-llFe-6Ag）。分别将纯度至少是99.9wt%的电解Cu、商用Fe和Ag采用带电磁搅拌的钨电极电弧熔炼成直径约为20毫米半球铸锭。将熔炼得到的铸锭在室温进行热锻，然后再加工到去除了氧化层和表面缺陷的一个断面尺寸为14X14毫米块体。复合材料通过冷轧及随后的拉伸成丝状。乳制过程中，样品的截面尺寸通过一系列步 骤减少到5X5毫米。在拉伸样品时，直径进一步降低到最小直径为0.4毫米。为了便于比较，将二元Cu-12wt%Fe复合材料采用与Cu-Fe-Ag复合材料相同的过程。采用Sirion200场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察显微组织的演变，采用FESEM自带的能谱仪(EDS)对CU基体中的Fe和Ag的分布进行了分析。在室温下，采用Zwick/Roell机对拉伸标本进行拉伸试验，并配备丫伸缩仪以便准确测量应变在弹性阶段。最终的拉伸强度(UTS)由于秉复性非常好而为类似的标本作为强调对比的方法。由于其相对较小的直径没有任何削减衡量直径。至少对三个样木进行了测试，每个拉伸丝大小和可重复性是在2%左右时。结果与讨论：四种合金右相似的铸态显微组织，即Fe枝晶是嵌入在Cu基体中和随机取向与分布。Cu-Fe-Ag复合材料枝晶的直径大约为2-4Pm,这小于二元Cu—Fe复合材料的枝晶的直径。此外，Ag的加入越多，Fe枝晶越小。采用高倍率显微镜观察到少量的沉淀物在Cu基体内，主要是由于实验中的急冷。但是如图1所示，除了Fe枝晶外，也可以看到一些Cu—Ag共晶分布在Cu-llFe-6Ag合金Cu的边界上。可以清楚地看到Cu-Ag共晶分布在Cu的边界，左上角的图片是共晶的一个高放大倍率的图象。平衡相图中显示Cu和Fc有较小相互固溶度和在室温下接近于零。在包晶反应温度1096°C时Fe在Cu中最大的固溶度是为4.lwt%，在共晶温度850°C时Cu在a—Fe中最大的固熔度的力2.lwt%。在无Ag条件下，由于四种 合金中都远远超越了平衡状态下Fe在Cu中最高的固溶度，4种合金中Fe在基体中的含量差不多。Cu和Ag都有限相互固溶度，其平衡相图显示在共晶温度780QC时Ag在Cu中的最大固溶度的是7.9wt%，在室温下下降到零。而在非平衡凝固条件下，Ag含量接近7.9wt%。例如，Cu-llFe-6Ag合金中Ag/Cu重量比是6.7wt%时，在激冷时可能发生共晶反应。EDS分析显示基体的成分分布。为了提高了测量的精度，选定基体区域的lOumX5um进行了高放大倍率观察（4000X）分析，并对每个标本在记录八次测量结果，其平均值如表1所示。凝固过程中，大部分的Fe以枝晶的形式进入而其余的固溶在基体之中。因此，大量Fe原子被迫沉淀出来形成初生相。以往的研究结果表明Cu-Fe-Ag复合材料变形后的显微组织相似。在纵向，最初随机分布的枝晶渐渐地转变为纤维排列，而长的纤维带与横向的不一样，以板条状形式存在。然而，如图2所示，Cu基体在拉丝过程中以轴向对称的方式变形，Fo枝晶受到约束并被迫扭转来保持与基体产生不规则截面形状的均匀性和细小纤维的相容性。需指出的是如图2中所示，与深色Fe板条对比的是这些细小的灰色纤维是Ag纤维，主要是铸造CuAg共晶发生变形得到的。如后面讨论的，这些细小的Ag纤维也有助于复合材料的强度提高3,对Cu-14Fc-3Ag,Cu-14Fc-lAg,Cu-llFe-6Ag和Cu_12Fe合金的极限应力和应变对比进行拉伸测量。总的来说，每种合金的复合应力应变曲线呈指数关系，这与以往的研究一致。用于拉伸试验非加工丝拉伸试验经常失败，是因为应力集中打破了节点，测量的拉应力低于实际 拉应力。因此，在2〈n〈5时，Cu-14Fe-3Ag和Cu-llFe_6Ag的强度接近；在n〉5时，由于Fe纤维的含量较高强度速度迅速提高。三元Cu-Fe-Ag合金具有额外的Ag固溶在Cu基体中，从而导致基体固溶的强化。如果Ag沉淀析出强化效果正比与是Cl/2,其中C是Ag的含量。而加强了在下合金C结构的强化效应。那么由于Ag的沉淀。因为没有考虑到形成Cu-Ag共晶，与实测合金最终拉伸强度吻合良好。此外，少量Ag共晶也可能对Cu-llFe-6Ag强度也右影响，特别是作为Cu-Ag共晶在随后的拉伸变形中成为小纤维会进一步强化。表2给出了拉伸率为2.5的测量的样品电阻。由于Ag的加入，复合材料的电阻明显降低，即Ag的加入提高了二元Cu-Fe复合材料电导率，这可能是由于Fe在Cu中较低的固溶度。Cu-F复合材料的电阻率，可以平行电路模型：f分别是Cu及Fe体积分数的等。因为细丝总额只是稍有差别，再加上Fe的高电阻率，复合材料巾于Fc纤维数量的不同在总电阻所产生的差别是微不足道的。因此，电阻率主要的差别在于Cu基体。可分为四个主要散射机制：POPpho+Pdis+Pint+Pimp，其中Ppho是声子对电阻率的贡献，Pdis位错电阻，Pint界面散射，Pimp柴质散射。具有相同的拉伸倍数复合材料也有类似Ppho和Pdis,很明显Pimp和Pint是控制电阻率的主要条件。巾于相对较小的拉伸倍数，基体和Fe纤维界面之间相似，在复合材料中Pint之间的相差也很小。电阻率的主要不同来自Fe和Ag固溶于Cu基体的数量。许多先前的研究表明，具有相同体积分数的Fe和Nb的Cu-Fe和Cu-Nb复合材料电导率 之间的差别在于Fe固溶在Cti基体中。如引言所述，每lwt.%Fe固溶会增加Cu的电阻率9.2nQm，而lwt.%Ag导致增加的只InQmoCu-Fe-Ag和Cu-Fe之间电阻率的差异是Fe和Ag的不同固溶度所造成的。考虑到所有Ag加入形成固溶体，根据上述电阻率递减计算出结果如表2所示。结果发现经Cu-Fe-Ag合金经计算的电阻与实际测量结果十分接近。结论：本文研究了三元原位Cu-Fe-Ag复合材料。Ag对Cu-Fe-Ag复合材料性能的影响归纳如下：（1）细化初生的Fe枝晶；（2）减少在高温下Fe在Cu中的固溶度，提高二元Cu-Fe复合材料的电导率；（3）复合材料由于形成固溶体或CuAg共晶及后面的变形成为纤维而强化。因此，Ag的加入可以使Cu-Fe原位复合材料获得更好的强度和电导率。如果变形过程中采用适当的热处理，复合材料的强度和电导率将得到进一步提高。