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《中南大学》 2010年
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Cu-Ni-Zn-Al系新型高强导电弹性铜合金组织、性能及相关基础研究

周小中  
【摘要】: 本文成功设计和制备了一种新型高强导电弹性Cu-Ni-Zn-xAl(x=1.2、1.6、2.0和2.4wt.%)合金,并采用硬度和电导率测试方法、室温拉伸试验、X射线衍射分析技术(XRD)、金相技术(OM)、扫描和透射电子显微分析方法(SEM、TEM)、能谱分析技术等材料物理研究方法,以及交流阻抗技术(EIS)等电化学研究方法系统研究了合金的组织和性能及其与Al含量的关系,确定了合金强化机理以及合金元素Al对合金性能的影响规律及机理,得到以下结论: 1、在Cu-Ni-Zn三元合金基础上添加Al形成的Cu-Ni-Zn-Al合金为一种新型的时效析出强化型合金;Al含量对Cu-Ni-Zn-Al合金性能和组织的影响很大:随着Al含量的增加,合金硬度逐渐增大,均匀化及固溶处理所需温度逐渐升高。 2、Cu-Ni-Zn-Al合金具有很强的时效析出强化效应,固溶处理后合适的时效工艺为:500℃时效8-16h。在此工艺条件下,合金因时效硬化产生的硬度增值达128-135Hv,电导率增值为3-7%IACS。在时效过程中,随着Al含量的增加,合金硬度和电导率明显增大。 3、Cu-Ni-Zn-Al合金析出相结构和组成与Al含量有关:Al含量较低(1.2wt.%)时,析出相为L12有序立方Cu3Au结构的γ'相,该相对合金起主要强化作用,其化学组成为含Cu和Zn的Ni3Al,与α固溶体基体具有一定的位向关系:[011]p//[011]m,(100)p//(200)m;而Al含量较高(1.6-2.4wt.%)时,在时效初期,溶质原子以γ'相的形式脱溶析出;随着时效时间的延长,溶质原子又同时以B2结构的p相形式脱溶析出,β相的化学组成为含有Cu和Zn原子的NiAl,化学式可写成(NixZn1-x)(AlyCu1-y);随着Al含量的增加,β相脱溶析出孕育期逐渐缩短,体积分数明显增加。 4、采用X射线衍射分析方法研究了Cu-Ni-Zn-Al合金固溶-时效初期强化相粒子的析出过程,并解释了强化相对合金的强化作用机理:强化相粒子的共格析出,引起固溶体基体晶格严重畸变,畸变程度随着时效时间的延长而逐渐加重;在共格析出相粒子和基体晶格畸变的共同作用下,合金硬度大幅度增大,产生剧烈的时效析出强化效应。 5、在固溶-时效过程中,Cu-Ni-Zn-Al合金中析出相的分布特征与Al含量有关:Al含量为1.2wt.%时,析出相组织为典型的连续脱溶组织;随着Al含量的增加,不连续脱溶组织逐渐出现,且其出现的时间逐渐缩短,体积分数逐渐增大。 6、时效前进行变形量为80%的冷轧变形可以大幅度提高合金的硬度,加快合金时效硬化和提高电导率的进程,且Al含量越高,这种影响越明显。冷轧80%处理后,Cu-Ni-Zn-Al合金合适的时效温度为450℃,时效时间为0.5-8h。在此工艺条件下,合金的力学性能、电导率等综合性能高:抗拉强度σb=901-1155 MPa,屈服强度σ0.2=844-1125MPa,延伸率σ=1.1-4.0%,电导率EC=9-15%IACS,弹性模量E=130-134 GPa。其力学性能达到或超过相同处理工艺下Cu-Ti、Cu-Ni-Sn和Cu-Be合金性能的水平,是一种很具潜力的新型高强导电弹性铜合金材料。 7、在冷轧-时效过程中,Cu-Ni-Zn-Al合金的时效析出与再结晶之间存在明显的交互作用:析出相粒子的析出严重滞后了合金变形组织的再结晶过程,大幅度提高了合金的再结晶温度,有效地抑制了晶界的不连续析出行为。 8、采用电阻率法对Cu-Ni-Zn-Al合金的时效析出动力学进行分析,并得出相应的时效动力学方程,其反映的时效动力学理论曲线与实验曲线基本吻合,较好地诠释了研究合金在固溶-时效、固溶-冷轧-时效时的时效析出动力学过程。 9、Cu-Ni-Zn-Al合金具有良好的耐腐蚀性能,其耐蚀性比未添加Al的Cu-Ni-Zn三元合金有较为明显的提高。在3.5wt.%NaCl腐蚀介质中,经长时间的浸泡腐蚀后,合金表面的腐蚀产物均主要由外表面的(Cu, Ni, Zn)2Cl(OH)3层和内表面富Al2O3和Cu2O的金属氧化物层两层组成,且金属氧化物层对合金耐腐蚀能力起主要作用。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG146.11

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