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《西安理工大学》 2007年
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新型高强高导Cu-Ag-Cr合金的组织性能及时效动力学研究

雷静果  
【摘要】: 随着电气化列车向高速、重载的发展,对接触线的材质及性能提出了更高的要求。高速铁路用接触线材料,要求其强度大于550MPa,导电率大于80%IACS,300℃保温2h后的抗拉强度下降率不大于10%,同时具有良好的耐磨性能。目前,日、德、法等许多国家都在研发满足这种要求的高性能铜合金。 根据合金化原理,成功设计了新型高强高导Cu-Ag-Cr系合金,所设计的合金性能能够满足高速铁路接触线的要求。与目前广泛使用的Cu-0.1Ag合金接触线的对比研究表明,微量Cr的加入可使合金强度大大提高,并有效抑制退火过程中Cu-0.1Ag合金的再结晶;微量的Ag能明显抑制Cu-Cr合金过时效的发生,提高合金的耐高温性能。如Cu-Ag-Cr合金经过合适的热处理工艺,显微硬度和导电率分别可达162HV和82%IACS,抗拉强度达594MPa,在300℃保温2h后的抗拉强度仅下降5%,合金的受电磨损性能是Cu-0.1Ag合金的2~3倍。表明该合金兼具高强高导高耐磨性能,是目前接触线用铜合金中综合性能较好的合金。 利用动态电阻法研究了Cu-Ag-Cr合金的相变动力学。采用自行设计的动态电阻测试仪研究了Cu-Ag-Cr合金在不同速度下连续冷却、连续加热及等温时效时相对电阻率随时间的变化;首次建立了Cu-Ag-Cr合金的连续冷却、连续加热及等温时效时相对电阻率与时间的数学模型;并对Cu-Ag-Cr合金在连续冷却过程的析出相体积分数进行了计算,建立了合金的连续冷却转变曲线。 利用透射电子显微镜、高分辨电子显微镜研究了Cu-Ag-Cr合金的微观组织变化,首次运用Visual Electron Crystallgraphy(VEC)技术研究了析出相与Cu基体之间的共格、半共格关系及共格失配。结果表明:合金在440℃~520℃时效时,可观察到Cr的共格相与半共格相共存,共存的半径范围为15~45nm,理论计算共格失配的临界尺寸为12.5nm;并在此基础上分析了合金的时效强化机制,时效初期,合金的强化方式以共格强化为主,利用位错理论所计算Cu-Ag-Cr合金在480℃时效2h的屈服强度增量与实验值接近,而在过时效条件下,以Orowan机制强化合金。 通过透射电镜、图像分析和统计分析等手段,首次分析了Cu-Ag-Cr合金时效析出相的长大粗化行为及其分布规律。结果表明:在480℃时效时,Cu-Ag-Cr合金中球状Cr相长大行为与LSW理论模型符合较好,Cr相的平均半径与t1/3呈线性关系,表明Cr相的长大粗化过程为扩散控制。Cr相的尺寸分布倾向于正态分布,与LSW理论模型符合较好。 研究了Cu-Ag-Cr合金形变后的时效析出与再结晶的交互作用及其对合金组织与性能的影响。发现在时效初期析出的弥散细小的析出相阻碍了再结晶过程的进行,Cu-Ag-Cr合金的再结晶通过原位再结晶和不连续再结晶两种方式进行,原位再结晶使得合金析出相比较细小,合金保持较高的硬度;而不连续再结晶使合金硬度迅速下降,在再结晶晶界迁移的前沿析出相也快速粗化。Cu-Ag-Cr合金经预时效+冷变形后的二次时效过程中,预时效对合金二次时效强化效应产生显著的影响,440℃×8h预时效最为明显,强化效应产生的温度范围为350℃~400℃,显微硬度升高30HV~50HV。利用自制的磨损实验机对Cu-Ag-Cr合金和Cu-Ag合金材料的滑动磨损行为进行对比研究。结果表明:由于Cr的时效析出强化作用,高强高导的Cu-Ag-Cr合金的磨损性能相对于Cu-Ag合金提高2~3倍,大大提高了合金的使用寿命;在干滑动条件下,Cu-Ag-Cr合金的磨损主要为粘着磨损、磨粒磨损,在受流状态下逐渐转化为以粘着磨损、磨粒磨损和电烧蚀磨损为主。 设计了析出强化铜合金的在线固溶技术和在线固溶装置。首次提出将合金的在线固溶技术和在线时效技术与目前先进的连铸连轧技术相结合,使得利用连铸连轧生产线直接生产出高强高导等具有优良综合性能的析出强化型铜合金杆材成为可能。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG113;TG166.2

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