提高弥散强化铜合金强度的主要方法..doc

提高弥散强化铜合金强度的主要方法彭北山 宁爱林（邵阳学院机械工程学院 湖南邵阳 422004）摘要：总结了提高弥散强化铜合金强度的几种方法，并对其强化机理进行了分析。得出结论是：第二相强化的效果最好，是制备高强高电导率材料最理想的方法。弥散强化铜的强度主要和基体及弥散相的本性、含量、大小、分布、形态以及弥散相与基体的结合情况有关，也与成形工艺有关，而弥散相的选择是首要的。The Major Channel of Heighten the Intension of the Dispersion-strengthened Copper Alloy PengBeishan NingAilin( Mechanical Engineering School of Shaoyang Collegiate Shaoyang hunan 422004)Abstract: Have summarized some kinds of method of heighten the intension of the dispersion- strengthened copper alloy, and analysed its reinforced mechanism. Conclusion is: the effect of the dispersion reinforcement is the best It is the most idea to prepare the the dispersion- strengthened copper alloy. the strength of dispersion- strengthened copper is concerning nature and form, content, size, distribution and the innate quality of dispersion appearance as well as the combination condition of dispersion appearance and matrix, it is also concerning shape technology, and the option of dispersion phase is chief.1 引言弥散强化铜因其优良的高温强度、高导电性和高导热性，已广泛地应用于电子信息、高速电气化铁路架空线、高速列车牵引电机、汽车和彩管等行业中的电阻焊电极、大推力火箭发动机内衬等高新技术领域1。弥散强化铜无论是用作电阻焊电极，还是用作大推力火箭发动机内衬，不但要求其具有高导电性和高导热性，还要求其具有较高的高温强度。本文对提高弥散强化铜合金强度的的主要方法和强化机理进行了讨论，并提出自己的看法。2 弥散强化的机理和影响弥散强化材料强度的因素2.1 弥散强化的机理弥散强化机构的代表理论是位错理论。弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服阻碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。下面是几种主要的位错理论模型用以讨论屈服强度及硬化2 3 4。2.1.1 奥罗万结构（Orowan Mechanism）奥罗万结构的示意图如图1所示。图1 奥罗万结构示意图（a）位错线通过前；（b）位错线弯曲；（c）形成位错环；（d）位错线通过后按照这个结构，位错线不能直接越过第二相粒子，但在外力下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。屈服应力c与位错线上粒子的间距及切变模量和具有柏氏矢量为b的位错的之间的关系如下：c=，显然屈服应力与粒子间距成反比。2.1.2 安塞尔-勒尼尔结构安塞尔等人对弥散强化合金的屈服提出了另一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。即当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服，即：c= (1-3)式中、*分别为基体及第二相粒子的切变模量，b为柏氏矢量，为位错线上粒子的间距，C为比例常数，约为30。由上式可以得出：屈服应力与基体和弥散相的切变模量的平方根的积成正比，与粒子间距的平方根成反比，且屈服应力的大小与位错有关。2.2 影响弥散强化材料强度的因素弥散强化材料的强度不但与基体和弥散相的本性有关，而且决定于弥散相的含量、大小和分布、形态以及弥散相与基体的结合情况，也与成形工艺有关5。这里弥散相的选择是首要的，选择弥散相应该考虑以下几点：2.2.1 熔点高，有高的结构稳定性弥散强化合金要求高温强度好，所添加的强化相必须具有较高熔点及高的结构稳定性。2.2.2 相界能低强化相相界能低是弥散质点与基体结合良好的条件，这是粒子阻碍位错运动所需要的。相反，高界面能就等于粒子周围的空洞多，不仅不能阻碍位错运动，而且可能产生微裂纹。2.2.3 具有热力学稳定和相容性从热力学来说，要求弥散相的生成自由能负值大，因为物质生成自由能的大小反映了物质的稳定性，生成自由能负值越大，弥散相在合金中就越稳定。同时要求弥散相与基体有良好的相容性，即在适当的弹性模量情况下要有相近的热膨胀系数，强化相尺寸越小，相互间允许的热膨胀系数的差异可以越大，否则在加热和冷却过程中，当热膨胀系数存在显著差异的情况下，在相界处可能产生应力，导致裂缝的发生。2.2.4 强化相不溶于基体，在基体中扩散率低。2.2.5 弥散相的含量、粒度要适中。大量实践证明，弥散相的含量在115的范围是比较适中的。当含量一定，粒子愈细，粒子数越多，粒子间距也越小，强度越高。强化相通常是金属的氧、碳、氮化物。强化相的形态包括纤维、晶须、颗粒等6 7。表1、表2分别列出了铜基合金中某些强化相及其主要性能。表1 铜基体某些强化相材料种类化合物形态氧化物Al2O3,Y2O3,ZrO2,ThO2,SiO2颗粒、晶须、纤维碳化物ZrC,WC,SiC,NbC,TaC,TiC颗粒、晶须、纤维硼化物TiB2,ZrB2,CrB2颗粒表2 强化相的主要性能 8强化相密度g/cm3显微硬度kg/mm2弹性模量kg/mm2熔点热膨胀系数10-6/TiC4.9328503200350003250NbC7.8220553450035007.21Cr3C26.651300194001895TiB24.45 33703740026004.60WC15.6 17307220028003.903 高导电率材料强度提高的几种方法对于铜的强化方法主要有两种思路：一是引入合金元素强化铜基体而形成合金；二是进入第二强化相形成复合材料5。高导电率材料的强化方法大约有以下几种：3.1 固熔强化通过溶入某种溶质元素，形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象叫做固熔强化。固熔强化的产生是由于熔质原子熔入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，并形成“坷垂耳”气团，进而使位错移动时所受的阻力增大的缘故。在一般含量下，固熔强化可按溶质原子在基体中的分布状况分成非均匀强化和均匀强化8。非均匀强化又分为源强化、有序强化、浓度梯度强化等。若溶质原子在位错线上的偏聚，优先分布于晶体缺陷附近引起的强化称源强化；由于溶质原子作有序排列，使得位错与溶质原子产生几何交互作用而引起的分布存在浓度梯度引起的强化作用称浓度梯度强化。均匀强化则是指固熔体中溶质原子统计的散步在基体中，溶质原子与基体原子的半径不同，使基体点阵发生一定程度的畸变，因此溶质原子与位错的应力场有弹性交互作用，构成位错滑移的障碍，从而引起强化作用。但是固熔强化的高温性能差，加之固熔强化引起的点阵结构畸变对电子运动有强烈的散射作用，从而使导电率大大下降，固熔强化的这些缺点，使其不能成为制备高强度高导电材料的主要手段。3.2 细晶强化一般情况下，金属材料的晶粒较细，晶界较多，其室温强度就较大，在一定范围内，材料的屈服强度s与晶粒直径d的关系可以用霍尔-配奇经验公式9表示：s=0+Kyd-1/2 ，式中0和Ky均为常数，0表示晶内对变形的阻力，约相当与单晶的屈服强度，它和成分、温度有关；Ky表示晶界对变形的影响，它随晶界的结构而定，与温度的关系不大。显然，对一给定的金属材料来说，s与晶粒直径的平方根成反比，这一关系在许多的金属材料中都可以见到。由此可见，细晶强化在于随晶粒直径减少，晶界增多，阻碍位错移动能力提高，因而强化了金属。晶粒细化仅产生晶体缺陷，细晶强化对材料导电率影响不大。所以，细晶强化是中温和低温材料的有效强化方法。3.3 第二相强化第二相强化是制备高强高电导率材料最理想的方法。实际使用的高强度合金大多含有高度弥散分布的细小的第二相质点，这些第二相往往是金属间化合物或氧化物、碳化物等，要比基体硬得多。在基体中渗入第二相的方法有好几种，最常见的是用固溶体的脱熔沉淀，进行时效热处理，这就是沉淀强化10。由于溶剂原子和溶质原子存在尺寸和弹性模量的差异，位错与粒子应力场的弹性交互作用及模量效应引起的强化效应是其主要强化机制。在基体中渗入第二相的方法更普遍的是利用粉末冶金等方法，使基体中形成弥散分布的增强相颗粒，提高强度，即第二相弥散强化。表3 弥散强化铜与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比较2强化方法合金（MPa）软化温度(K)第二相强化Cu-0.7 volAl2O3600873Cu-1.2volTiB2620900固熔强化Cu-0.85Cr592700Cu-0.15Zr523700表3为用第二相强化法生产的弥散强化铜与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比较，显然， 弥散强化铜的性能优于Cu-Cr合金及Cu-Zr合金，特别有意义的是：用第二相强化法生产的弥散强化铜在提高强度的同时，其软化温度显著高与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金。4 结语弥散强化铜的强化方法主要有固熔强化、细晶强化、第二相强化等；第二相强化的效果最好，是制备高强高电导率材料最理想的方法；弥散强化机构的代表理论是位错理论，弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服阻碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高；弥散强化材料的强度主要和基体及弥散相的本性、含量、大小、分布、形态以及弥散相与基体的结合情况有关，也与成形工艺有关，而弥散相的选择是首要的。参考文献：1 宁爱林等.弥散强化铜的研制现状与展望.邵阳高等专科学校学报,2001(3):1652 美国金属学会.金属手册. 北京:机械工业出版社，19923 田荣璋.王祝堂.铜合金及其加工手册.第一版.中南大学出版社:2002.7254 美 H.H.豪斯纳粉末冶金手册冶金工业出版社,19825 LeiBerlin.弥散硬化改善铜合金热强度的一种低成本技术.铜加工,19846 杨朝聪.高强高导电铜合金的研究与进展.云南冶金,2000(12):26297 Groze J R . Gibeling J C . Materials Science and Engineering A , 1993, 171:1158 卢光熙,侯增寿.金属学教程M. 上海:上海科学技术出版社,1985.9冯瑞等.金属物理学(第三卷)M.北京:科学出版社.1999.360.10 宁爱林等.铜合金的强化方法. 邵阳高等专科学校学报,2003(2):77 作者简介：彭北山（1967），湖南邵阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为金属材料的制备、加工及强化。