表面纳米化对铜合金组织及性能的影响

【摘要】：铜及其合金是工业中应用广泛的金属材料,但是铜合金强度低、耐磨性差,严重限制了其应用。金属材料的表面通过机械研磨处理使表面获得纳米晶是近几年表面强化方法研究的热点之一,这种技术在工业应用上具有非常广阔的应用前景,它将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料结合了起来。堆垛层错能(SFE——stacking fault energy)对面心立方金属的变形机制有较大的影响,较低的层错能会抑制位错滑移,而使变形以孪生的形式出现,除了SFE外,高应变速率和低温也会导致孪生塑性变形,Cu的层错能为78mJ/m2,加入合金元素后层错能变化较大。 本文对纯铜,Cu-2wt%Ti合金,Cu-10wt%Ni合金进行不同时间的表面机械研磨处理(SMAT),探究不同合金元素的溶入对铜合金层错能的影响,以及层错能的不同对形变机制的影响。还研究了时效Cu-2wt%Ti合金SMAT过程与未时效处理的Cu-2wt%Ti合金形变机制的差异。探究了层错能的降低所引起的强化,提高了材料的耐磨性。利用显微硬度仪测了不同材料纳米化后表面到心部的硬度值,利用OM, XRD, SEM等测试手段对组织进行了表征。对SMAT的Cu-2wt%Ti合金试样进行了时效分析,对纳米化后的纯铜试样进行了退火保温,研究了纳米晶粒的热稳定。 结果表明：(1)纯铜表面纳米化后,表层晶粒细化,但没有看到明显的形变孪晶,形变方式主要为位错的滑移。Cu-10wt%Ni合金表面纳米化后,随着纳米化时间的延长,形变孪晶的数目明显增多,孪晶交割程度不明显,其形变方式为开始为位错的滑移,位错发生塞积后,形变以孪生为主,但孪生可以改变位相差,随后又以位错滑移为主。 (2)不论是固溶态Cu-2wt%Ti的纳米化试样还是固溶+时效纳米化后的纳米化试样,都可以明显看到其大量的形变孪晶与交叉孪晶,且有分层现象。Ti的溶入大大降低了铜的层错能,所以其形变方式主要为孪生,出现明显分层想象的原因是大晶粒与小晶粒塑性形变机制不同,大晶粒易于发生孪生,而小晶粒更易滑移,所以出现了分层现象。固溶态Cu-2wt%Ti合金时效后会使材料层错能提高,表现在纳米化相同时间,形变孪晶数量降低,交割程度降低。 (3)纯铜板材、铜镍合金、铜钛合金经表面纳米化后表面硬度明显高于心部,耐蚀性能都有所下降,耐磨性提高。Cu-10wt%Ni合金的耐磨性高于纯Cu的原因主要是由于溶质原子的溶入造成的固溶强化,而Cu-2wt%Ti合金耐磨性高于纯Cu的原因除了固溶强化外还有就是其层错能的降低,使得层错带变宽,易于产生孪晶,孪晶与宽的层错带都可以阻碍位错的运动。 (4)表面纳米化45min、60min后400℃时效,时效温度与Cu-2wt%Ti合金的再结晶温度接近或处于其范围内,所以时效过程与再结晶交叠,样品表面Ti含量偏高有可能是因为表层一定范围内发生了调幅分解。 (5)经过纳米化30min、60min的纯铜板材,在450℃退火保温不同的时间,通过XRD衍射分析,表面纳米晶的确有长大趋势,不过仍在纳米级别范围之内。微观应变越大纳米晶的热稳定性越好,大的微观应变可以抑制纳米晶粒的长大。