深冷处理的Cu-Cr-Zr电极合金组织与性能研究

论文摘要

Cu-Cr-Zr合金是沉淀析出强化型高强高导铜合金,该合金在汽车制造业的电阻点焊电极制造中应用广泛。目前国产Cu-Cr-Zr合金性能不稳定,用于镀层板及铝合金的点焊电极寿命很低。深冷处理可以提高Cu-Cr-Zr合金电极使用寿命,但目前对于有色金属深冷处理改善性能的机理还不十分清楚。因此,本文通过试验的方法系统研究了深冷处理对Cu-Cr-Zr合金组织性能的影响,并从微观层次探讨了深冷处理提高Cu-Cr-Zr合金性能的机理及其提高电极使用寿命的微观机制。本文主要研究结果如下。利用金相显微镜、透射电子显微镜、X射线小角散射及定量金相分析研究了深冷处理对Cu-Cr-Zr合金微观组织结构的影响。深冷处理可以促使合金Cu基体中的析出相颗粒弥散析出,从而强化基体组织。利用透射电子显微镜观察深冷处理前后的Cu-Cr-Zr合金的组织结构,发现深冷处理可以促使合金中的位错发展为位错环、使合金产生孪晶,分别通过Orowan位错机制及极轴机制解释了位错环和孪晶的形成机制。正电子湮没实验研究发现随着深冷处理保温时间的延长,合金空位浓度呈降低趋势。利用X射线光电子能谱对合金元素化学状态进行了表征,结果表明合金XPS谱图中峰强度增加,这是由于深冷处理使Cr、Zr元素从固溶体中析出以及合金基体中空位等缺陷的减少,提高了合金基体的纯度所致。此外,长时间的深冷处理引起合金表层电子结合能的增加。深冷处理提高了Cu-Cr-Zr合金的电导率、抗拉强度和耐磨性等性能。利用SEM、EDS等对拉伸断口及磨损表面进行了分析后,结合合金组织结构的变化,基于Orowan位错机制对Cu-Cr-Zr合金的强化机理进行分析认为,合金深冷处理强化的主要原因是第二相颗粒的弥散析出、位错环及孪晶的产生;深冷处理后合金导电性能的改善是由于第二相颗粒的析出及微观缺陷的减少。力学性能和导电性能的理论分析结果与试验结果吻合。由于Cu基体本身硬度不能通过深冷处理得到提高,深冷处理后Cu-Cr-Zr合金的硬度提高的幅度不大。深冷处理后合金的软化温度稍有降低,但在铝合金点焊时可以满足使用要求。最后,利用基于微观接触变形的接触电阻模型,从Cu-Cr-Zr合金导电性能和力学性能两个方面分析了深冷处理降低点焊电极/工件接触电阻的微观机制。电极深冷处理后导电性能及力学性能的提高使得电极/工件间接触电阻值降低和接触电阻分布均匀化,从而使得铝合金点焊过程中局部区域出现过热熔化的几率降低,减少了电极的烧损,从而提高了电极的使用寿命。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 电阻点焊电极铜合金的性能要求
• 1.1.3 电阻点焊电极材料的选用
• 1.1.4 Cu-Cr-Zr 合金组织结构与性能特点
• 1.1.5 Cu-Cr-Zr 合金作为电极存在的问题
• 1.2 深冷处理的研究及应用现状
• 1.2.1 深冷处理概述
• 1.2.2 深冷处理工艺对合金性能的影响
• 1.2.3 深冷处理的作用机理
• 1.3 研究目标及主要研究内容
• 第二章 深冷处理对 Cu-Cr-Zr 合金微观组织结构的影响
• 2.1 试验材料及其深冷处理
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 深冷处理工艺试验
• 2.2 合金组织结构分析
• 2.2.1 光学金相研究
• 2.2.2 透射电镜分析
• 2.3 析出相尺寸的小角X 射线散射分析
• 2.3.1 小角X 射线散射（SAXS）原理
• 2.3.2 析出相的小角X 射线散射结果
• 2.4 深冷处理Cu-Cr-Zr 合金析出相的定量金相研究
• 2.4.1 金相几何参数
• 2.4.2 图像处理与计算过程
• 2.4.3 定量金相结果与分析
• 2.5 深冷处理Cu-Cr-Zr 合金的晶粒转动
• 2.6 Cu-Cr-Zr 合金合金中缺陷的正电子湮没寿命谱研究
• 2.6.1 正电子湮没原理
• 2.6.2 正电子湮没寿命谱结果分析
• 2.7 Cu-Cr-Zr 合金元素XPS 分析
• 2.7.1 XPS 基本原理及试验方法
• 2.7.2 XPS 结果与分析
• 2.7.3 讨论
• 2.8 本章小节
• 第三章 深冷处理的 Cu-Cr-Zr 合金导电性能研究
• 3.1 Cu-Cr-Zr 合金导电/导热性能理论分析
• 3.2 电导率测试试验方法
• 3.3 深冷处理对Cu-Cr-Zr 合金电导率的影响
• 3.4 Cu-Cr-Zr 合金电导率的数据处理
• 3.5 深冷处理Cu-Cr-Zr 合金电导率的神经网络预测
• 3.5.1 BP 神经网络的基本原理
• 3.5.2 合金电导率BP 网络的预测
• 3.5.3 BP 神经网络训练及预测结果分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 深冷处理对 Cu-Cr-Zr 合金力学性能的影响
• 4.1 深冷处理对Cu-Cr-Zr 合金拉伸性能的影响
• 4.1.1 试验方法
• 4.1.2 拉伸性能测试结果
• 4.1.3 拉伸断口分析
• 4.1.4 讨论
• 4.2 深冷处理对Cu-Cr-Zr 合金硬度的影响
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 硬度测试结果
• 4.2.3 讨论
• 4.3 深冷处理对合金软化温度的影响
• 4.3.1 试验方法
• 4.3.2 软化温度测试结果
• 4.3.3 讨论
• 4.4 深冷处理对Cu-Cr-Zr 合金耐磨性能影响
• 4.4.1 试验方法
• 4.4.2 耐磨性试验结果
• 4.4.3 磨损表面分析
• 4.4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 深冷处理提高铝合金点焊电极寿命机理
• 5.1 深冷处理提高Cu-Cr-Zr 合金导电性能机理
• 5.1.1 第二相颗粒的析出
• 5.1.2 内部缺陷的影响
• 5.2 Cu-Cr-Zr 合金深冷处理强化机制分析
• 5.3 深冷处理提高铝合金点焊电极寿命机理分析
• 5.3.1 铝合金点焊电极烧损的机理
• 5.3.2 深冷处理对电极/工件接触电阻值的影响
• 5.3.3 深冷处理对接触电阻分布的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研工作
• 致谢