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南理工趙永好教授團(tuán)隊(duì)復(fù)材頂刊：新工藝！旋轉(zhuǎn)模鍛+時(shí)效大幅提高Cu-Cr復(fù)合線材的強(qiáng)度和電導(dǎo)率！

2021-12-20 16:33:18 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：銅鉻復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用受到拉伸強(qiáng)度和導(dǎo)電性之間權(quán)衡的限制。在這項(xiàng)工作中，我們采用了旋轉(zhuǎn)模鍛（RS）和后續(xù)時(shí)效的工業(yè)方法，以提高Cu-3.11Cr復(fù)合線的強(qiáng)度和導(dǎo)電性組合，并揭示了過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變。結(jié)果表明，Cu-3.11Cr的基體晶粒在變形過程中得到了明顯細(xì)化和拉長(zhǎng)，并形成了纖維狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過等效應(yīng)變的RS處理后，晶粒的平均直徑已減小至約3.9μm?3.5. 此外，大部分初始微米級(jí)的鉻顆粒沿軸向嚴(yán)重拉長(zhǎng)，起到了增強(qiáng)纖維復(fù)合材料的作用，降低了電子的散射效應(yīng)。此外，在隨后的時(shí)效過程中，大量納米Cr顆粒在基體中重新析出。Cu-3.11Cr復(fù)合絲經(jīng)兩段模鍛和時(shí)效后，獲得了良好的綜合性能，極限抗拉強(qiáng)度為580mpa，導(dǎo)電率為81.1%IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）。我們認(rèn)為，高強(qiáng)度歸因于位錯(cuò)、晶粒細(xì)化、彌散和沉淀以及纖維復(fù)合材料強(qiáng)化。時(shí)效處理過程中，鉻原子從銅基體中析出，對(duì)于在不損失強(qiáng)度的情況下提高導(dǎo)電性至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)可以為高性能銅鉻復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)提供一些新的見解。

自1964年新干線誕生以來，高速列車在世界上取得了迅速的發(fā)展，因?yàn)樗行У丶铀倭顺鞘谢M(jìn)程。首先，接觸導(dǎo)線需要提供更多的電流和牽引力，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路的提速，這將帶來過熱和火花磨損。為了解決這些問題，我們必須提高接觸線的電導(dǎo)率。第二，接觸導(dǎo)線與受電弓之間的高速滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生上下振動(dòng)的橫波，只有列車的運(yùn)行速度小于70%的Vc可以保證穩(wěn)定的工作狀態(tài)受電弓與接觸線之間，因此，提高火車的速度，我們必須增加風(fēng)險(xiǎn)，可以實(shí)現(xiàn)通過增加T .只有加強(qiáng)接觸線可以允許一個(gè)高T,因此，要求接觸線具有高屈服強(qiáng)度。最后，提高運(yùn)行速度也要求較高的耐磨性。

在實(shí)際應(yīng)用中，銅及銅基合金因其在電導(dǎo)率和力學(xué)性能方面的綜合性能優(yōu)于其他金屬而被用于高速鐵路的接觸導(dǎo)線。四種強(qiáng)化方法中，溶液強(qiáng)化的電導(dǎo)率損失最大，晶粒細(xì)化次之，變形強(qiáng)化次之，析出強(qiáng)化次之。Cu-Cr合金作為一種典型的沉淀強(qiáng)化合金，在銅合金中受到了廣泛的關(guān)注。Cu-Cr合金是一種典型的共晶合金。因此，通過優(yōu)化工藝參數(shù)可以進(jìn)一步提高其性能，獲得高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。目前，接觸線的制造工藝為拉絲，對(duì)材料[20]的塑性有很高的要求。當(dāng)材料的塑性不足以支撐進(jìn)一步拉深變形時(shí)，就會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中和斷裂。因此，在拉拔過程中退火不能有效地積累和應(yīng)用變形強(qiáng)化。而且，拉拔退火生產(chǎn)工藝存在著拉拔速度慢、生產(chǎn)效率低、能耗高、成本高等缺點(diǎn)。

當(dāng)變形強(qiáng)化使用到極端時(shí)，我們必須回到使用沉淀強(qiáng)化來進(jìn)一步提高Cu合金的強(qiáng)度，即進(jìn)一步提高Cr含量大于1%。由于Cr在Cu中的固溶性較低（室溫時(shí)為0.03 wt%）， Cr相的尺寸和分布對(duì)高Cr含量[29]Cu - Cr復(fù)合材料的性能有顯著影響。Cr相的粗化和聚集往往導(dǎo)致Cu-Cr復(fù)合材料性能較差。為了獲得均勻分散的Cr顆粒，采用熔融紡絲、機(jī)械合金化和飛濺淬火等方法制備了Cu-Cr復(fù)合材料。然而，這些技術(shù)通常是復(fù)雜的，不適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。

考慮的影響強(qiáng)度和導(dǎo)電性的RS Cu-Cr復(fù)合材料與高鉻含量沒有詳細(xì)研究，因此，在這個(gè)工作中，南京理工大學(xué)納米異構(gòu)材料中心團(tuán)隊(duì)趙永好教授團(tuán)隊(duì)取得了重要進(jìn)展，在復(fù)材領(lǐng)域國(guó)際一區(qū)頂級(jí)期刊《Composites Part B:engineering》上在線發(fā)表了題為“Enhancing strength and electrical conductivity of Cu–Cr composite wire by two-stage rotary swaging and aging treatments”的學(xué)術(shù)論文。選擇Cu-Cr復(fù)合材料作為模型材料，利用RS技術(shù)細(xì)化微觀組織和優(yōu)化Cr相尺寸和分布。通過RS變形結(jié)合兩階段時(shí)效處理，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能和電學(xué)性能得到了顯著提高。此外，還對(duì)提高Cu-Cr復(fù)合材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

趙永好教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，Cu-3.11Cr復(fù)合材料體晶粒在模鍛變形過程中徑向細(xì)化顯著，軸向拉長(zhǎng)，形成纖維狀組織。在等效應(yīng)變~3.5 的 RS 處理后，徑向晶粒的平均直徑已減小至約 3.9 μm。大多數(shù)微米級(jí)的鉻顆粒沿變形方向被拉長(zhǎng)并相互連接形成長(zhǎng)纖維。此外，在最終時(shí)效過程中，大量納米尺寸的 Cr 顆粒在基體中重新沉淀。

Cu-3.11Cr 復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了580 MPa的極限拉伸強(qiáng)度和 81.1% IACS 的電導(dǎo)率的良好結(jié)合。經(jīng)過最終時(shí)效處理后，合金的導(dǎo)電性顯著提高，強(qiáng)度沒有損失。Cu-3.11Cr復(fù)合材料的高強(qiáng)度歸因于位錯(cuò)、晶粒細(xì)化、彌散和析出以及纖維復(fù)合強(qiáng)化的貢獻(xiàn)，從大到小依次為：彌散和析出強(qiáng)化（226.6 MPa）>位錯(cuò)強(qiáng)化（ 211 MPa） > 晶粒細(xì)化強(qiáng)化（70.9 MPa） > Cr 纖維復(fù)合強(qiáng)化（40 MPa）。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109567

圖1所示。旋轉(zhuǎn)模壓原理示意圖。（a） RS總體圖，（b）截面圖，（c）圓棒工件應(yīng)力狀態(tài)。1 -鍛錘，2 -主軸，3 -滾柱，4 -鍛模，5 -工件。

圖2所示。拉伸試樣幾何尺寸，單位：mm。

圖3所示。（a-c） Cu-3.11Cr合金經(jīng)均勻化和固溶處理后的SEM圖像，（d, e）（c）中Cr相的EDS映射分析。黃色箭頭指向一些粗大的樹枝狀析出物，尺寸約為2-5 μm。

圖4所示。PRS樣品（a, b）和PA樣品（C, d）在500°C時(shí)效60min后的Cr相分布。箭頭指向鍛壓方向。

圖5所示。最終模壓后的FRS樣品（a, b）和500℃時(shí)效30 min后的FA樣品（C, d）中Cr相的分布。箭頭指向模壓方向。

圖6所示。在500°C時(shí)效30 min后FA樣品中納米Cr相的TEM圖像。

圖7所示。EBSD表征不同處理后Cu-3.11Cr復(fù)合材料徑向（b1-e1）和縱向（b2-e2）的基體晶粒及相應(yīng)的晶粒尺寸分布：（a） ST試樣；（b1 b2） PRS樣本；（c1-c2） PA樣品在500°C時(shí)效60 min;（d1-d2） FRS樣本；（e1-e2） 500°C時(shí)效30 min FA樣品，圖中黑線表示偏差角大于15°。

圖8所示。不同處理?xiàng)l件下Cu-3.11Cr復(fù)合材料徑向晶粒尺寸及偏角直方圖：（a） ST和（b） FA的晶粒尺寸；（c） PRS樣品偏角；（d） PA樣品在500℃下時(shí)效60 min;（e） FRS樣本；（f） 500°C時(shí)效30 min的FA樣品。

圖9所示。（a）不同處理后Cu-3.11Cr復(fù)合材料縱斷面的XRD譜圖，（b）（a）中明顯的{220}峰的放大圖。

圖10所示。TEM圖像和選定區(qū)域的電子衍射圖顯示了FRS樣品中的納米孿晶。

圖11所示。PA處理后PRS Cu-Cr復(fù)合材料的性能：（a）老化60 min后的顯微硬度和電導(dǎo)率隨溫度的變化；（b） ST、PRS和PA試樣在500℃時(shí)效60 min的拉伸曲線。

圖12所示。不同時(shí)效處理后FRS Cu-Cr復(fù)合材料的性能：（a, b）不同時(shí)效溫度下的顯微硬度和電導(dǎo)率隨時(shí)效時(shí)間的變化；（c）不同溫度和條件下FRS和FA試樣的工程拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖13所示。Cu-Cr復(fù)合材料在模壓和時(shí)效過程中的組織演變示意圖：（a） ST試樣中粗晶粒和微米級(jí)Cr;（b） PRS樣品中晶粒細(xì)化、伸長(zhǎng)，形成大量lagb;（c） PA樣品中形成的納米Cr顆粒；（d） FRS樣品中晶粒進(jìn)一步細(xì)化和拉長(zhǎng)；（e）納米Cr粒子在FA樣品中的再沉淀。

圖14所示。研究了不同處理后Cu-3.11Cr復(fù)合材料的晶粒尺寸、位錯(cuò)密度、晶格參數(shù)和低角晶界（LAGBs）含量。

圖15所示。（a）不同處理后Cu-3.11Cr復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率。（b） Cu-Cr復(fù)合材料中不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)FA試樣500℃時(shí)效30 min的貢獻(xiàn)。Exp.和Cal.分別代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

圖16所示。（a） 5種Cu-3.11 cr復(fù)合材料的晶格參數(shù)和電導(dǎo)率；（b）對(duì)報(bào)道的Cu基合金[[17]，[18]，[19]，[51]，[52]，[53]，[54]，[55]，[56]，[57]，[58]，[59]，[60]]電導(dǎo)率與極限抗拉強(qiáng)度關(guān)系的文獻(xiàn)綜述。低Cr（小于1%）的Cu-Cr合金屬于Cu-Cr - zr - x系列，高Cr（大于10%）合金分別屬于Cu-Cr系列。

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