通过合金化法获得高性能铜合金的方法?

　　(1)固溶方法。固溶强化的主要机理是使溶质原子溶人铜基体形成固溶体从而引起晶格畸变，由晶格畸变所产生的应力场与周围的弹性应力场产生交互作用，这种作用阻碍位错运动,从而使材料得到强化。但是，合金元素引入铜基体中，虽然能够提髙铜的强度，但却不同程度的降低了铜基体的电导率，图1-2显示合金元素的加人对铜电导率的影响，可以看出Sn、Zn、Ag等对铜导电性影响不大，所以铜合金中常用的固溶合金元素主要有Sn、Zn、Ag。

　　(2)冷变形+时效强化方法。根据金属塑性变形理论，对合金进行冷加工，可以进一步提高其强度。但由加工硬化引起合金强度的增加有限，所以一般不会单独使用该方法,而通常是和其他的强化方法配合使用,例如采用固溶?冷变形+时效强化或固溶+时效强化+冷变形工艺。原因是有些合金元素在铜中的溶解度会随温度的降低而急剧下降沉淀析出，沉淀析出的合金元素会阻碍位错运动达到强化合金的效果。例如目前广泛使用的Cu-Cr，Cu-Zr系合金就是该类强化的典型例子。

　　近年来发展的快速凝固技术是使合金的凝固极大地偏离平衡态，使得合金元素在铜中的溶解度大大提髙，从而提高了时效处理后基体中第二相含董,达到沉淀强化的目的。美国Sheffield大学的Dvies等[53]用水雾化法和旋铸法制备了Cu-Cr、Cu-Zi?合金，研究表明:所制合金的强度和硬度是目前该类合金的两倍，电导率仍然较高。快速凝固时Cii-Cr合金中〇的童由平衡态的0.8%(原子分数)提高到3.0%(原子分数)，比固溶处理〇!?0.5%(原子分数)0合金的强度提卨了几倍，电导率下降不多。

　　(3)细化晶粒方法。根据Hall-Petch关系式可以看出，晶粒细化可以提高材料的强度，细晶强化的本质是晶界有效地阻碍位错运动，由于晶界处的原子排列混乱，杂质缺陷多，而且晶界两侧的晶粒位向不同，可以阻碍位错从一个晶粒向另一个晶粒运动，从而提髙合金的强度。细晶强化对材料强度提高还是有限的，一般说来，这种强化方法适宜于对铜材强度有中等要求的场合。

　　(4)控制过剩相方法。控制过剩相的形态、大小、数量和分布，使其以等轴状，细小均勻分布,也可以获得很好的强化效果。其主要机理是，过剩相的存在阻碍了位错运动，从而提高了合金的强度。

　　以上几种方法是合金化强化法中常用的方法，在这些方法中最有效的方法是时效强化+冷变形强化。处理工艺为将合金加热至固溶线以上快速冷却，获得过饱和固溶体。随后对合金进行冷变形，冷变形后的合金再经过时效处理使其析出第二相，从而产生析出强化效果，析出相的种类、数最、分布、大小、形态是决定合金强度的重要因素。电导率的高低主要取决于合金元素的类型、合金元素对电导率的影响及合金元素在室温下的平衡溶解度等因素。因此，此类合金成分设计和热处理的关键即是合理控制析出相的种类、数量、分布、大小、形态，尽童降低合金元素在基体内的残留量。

　　综合上述两方面的要求，合金元素应能够满足以下条件：(1)合金元素固溶于Cu中，对Cu基体电导率的影响要小;(2)在高温时，合金元素在Cu基体中的溶解度要大;(3)在室温下，合金元素在Cu基体中的平衡溶解度要尽童小;(4)在析出过程中,析出相弥散分布并与基体保持一定的共格关系;(5)析出相稳定性好，在较高温度不易长大。

　　据上述(1)(2)两条要求，所确定的合金系首先具备如图1-3所示的相图特征。在铜合金中，只有合金元素在铜中的固溶度随温度降低而减小，并且在铜基体中有较大的极限溶解度的合金系才能产生析出强化。表1-3为满足(2)(3)条件，且在固态Cu中的极限溶解度大于0.15%的合金元素在Cu中的极限溶解度和室温溶解度。

　　高性能铜合金最主要的两个技术性能指标是强度和导电性,在设计合金组元的含量时应重点考虑其对这两方面的影响。不同合金元素对铜合金导电性能的影响见图1-2。从图中可以看出，铜合金的电导率与合金元素的加人童呈线性关系，加人越多〔电导率越低。要使铜合金获得较高的电导率，室温下铜固溶体中合金元素的含量应越少越好，最多不应大于1%，按照这一要求及表1-3数据，可以确定高性能铜合金中的主要合金元素应为:人8、1'丨、0〇、€(1^6、￥丨、86、?、21>。此外,合金元素的加入童，还应综合考虑其对材料强度和电导率的影响，按合理的比例加人,使其形成第二相强化粒子，在满足电导率的前提下，尽可能提高合金的强度。设计高性能铜合金的主要原则是：U)加人适当的强化相及强化相形成元素;(2)采用室温下在铜合金中溶解度较低的元素;(3)选择对铜合金电导率影响较小的元素;(4)对于时效析出相是化合物的合金系应按合理的比例加入合金元素。

　　通过合金化法获得高性能铜合金的方法? 　　(1)固溶方法。固溶强化的主要机理是使溶质原子溶人铜基体形成固溶体从而引起晶格畸变，由晶格畸变所产生的应力场与周围的弹性应力场产生交互作用，这种作用阻碍位错运动,从而使材料得到强化。但是，合金元素引入铜基体中，虽然能够提髙铜的强度，但却不同程度的降低了铜基体的电导率，图1-2显示合金元素的加人对铜电导率的影响，可以看出Sn、Zn、Ag等对铜导电性影响不大，所以铜合金中常用的固溶合金元素主要有Sn、Zn、Ag。文献[52]报道〇!?0.085%Ag经过冷加工后，强度可以达到420^^8,电导率为100%1\€5，(：1^0.05%~0.15%0(1经过冷却硬化后，具有较高的电导率(可达90%IACS)和较高的抗拉强度。 　　(2)冷变形+时效强化方法。根据金属塑性变形理论，对合金进行冷加工，可以进一步提高其强度。但由加工硬化引起合金强度的增加有限，所以一般不会单独使用该方法,而通常是和其他的强化方法配合使用,例如采用固溶?冷变形+时效强化或固溶+时效强化+冷变形工艺。原因是有些合金元素在铜中的溶解度会随温度的降低而急剧下降沉淀析出，沉淀析出的合金元素会阻碍位错运动达到强化合金的效果。例如目前广泛使用的Cu-Cr，Cu-Zr系合金就是该类强化的典型例子。 　　近年来发展的快速凝固技术是使合金的凝固极大地偏离平衡态，使得合金元素在铜中的溶解度大大提髙，从而提高了时效处理后基体中第二相含董,达到沉淀强化的目的。美国Sheffield大学的Dvies等[53]用水雾化法和旋铸法制备了Cu-Cr、Cu-Zi?合金，研究表明:所制合金的强度和硬度是目前该类合金的两倍，电导率仍然较高。快速凝固时Cii-Cr合金中〇的童由平衡态的0.8%(原子分数)提高到3.0%(原子分数)，比固溶处理〇!?0.5%(原子分数)0合金的强度提卨了几倍，电导率下降不多。 　　(3)细化晶粒方法。根据Hall-Petch关系式可以看出，晶粒细化可以提高材料的强度，细晶强化的本质是晶界有效地阻碍位错运动，由于晶界处的原子排列混乱，杂质缺陷多，而且晶界两侧的晶粒位向不同，可以阻碍位错从一个晶粒向另一个晶粒运动，从而提髙合金的强度。细晶强化对材料强度提高还是有限的，一般说来，这种强化方法适宜于对铜材强度有中等要求的场合。 　　(4)控制过剩相方法。控制过剩相的形态、大小、数量和分布，使其以等轴状，细小均勻分布,也可以获得很好的强化效果。其主要机理是，过剩相的存在阻碍了位错运动，从而提高了合金的强度。 　　以上几种方法是合金化强化法中常用的方法，在这些方法中最有效的方法是时效强化+冷变形强化。处理工艺为将合金加热至固溶线以上快速冷却，获得过饱和固溶体。随后对合金进行冷变形，冷变形后的合金再经过时效处理使其析出第二相，从而产生析出强化效果，析出相的种类、数最、分布、大小、形态是决定合金强度的重要因素。电导率的高低主要取决于合金元素的类型、合金元素对电导率的影响及合金元素在室温下的平衡溶解度等因素。因此，此类合金成分设计和热处理的关键即是合理控制析出相的种类、数量、分布、大小、形态，尽童降低合金元素在基体内的残留量。 　　综合上述两方面的要求，合金元素应能够满足以下条件：(1)合金元素固溶于Cu中，对Cu基体电导率的影响要小;(2)在高温时，合金元素在Cu基体中的溶解度要大;(3)在室温下，合金元素在Cu基体中的平衡溶解度要尽童小;(4)在析出过程中,析出相弥散分布并与基体保持一定的共格关系;(5)析出相稳定性好，在较高温度不易长大。 　　据上述(1)(2)两条要求，所确定的合金系首先具备如图1-3所示的相图特征。在铜合金中，只有合金元素在铜中的固溶度随温度降低而减小，并且在铜基体中有较大的极限溶解度的合金系才能产生析出强化。表1-3为满足(2)(3)条件，且在固态Cu中的极限溶解度大于〇.15%的合金元素在Cu中的极限溶解度和室温溶解度。 　　高性能铜合金最主要的两个技术性能指标是强度和导电性,在设计合金组元的含量时应重点考虑其对这两方面的影响。不同合金元素对铜合金导电性能的影响见图1-2。从图中可以看出，铜合金的电导率与合金元素的加人童呈线性关系，加人越多〔电导率越低。要使铜合金获得较高的电导率，室温下铜固溶体中合金元素的含量应越少越好，最多不应大于1%，按照这一要求及表1-3数据，可以确定高性能铜合金中的主要合金元素应为:人8、1'丨、0〇、€(1^6、￥丨、86、?、21>。此外,合金元素的加入童，还应综合考虑其对材料强度和电导率的影响，按合理的比例加人,使其形成第二相强化粒子，在满足电导率的前提下，尽可能提高合金的强度。设计高性能铜合金的主要原则是：U)加人适当的强化相及强化相形成元素;(2)采用室温下在铜合金中溶解度较低的元素;(3)选择对铜合金电导率影响较小的元素;(4)对于时效析出相是化合物的合金系应按合理的比例加入合金元素。

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