新型铜硅合金材料的制备及组织性能的研究

论文摘要

铜基弹性合金具有优良的导电导热及力学性能,在医疗、航天航海导航仪器、电子电力和仪表制造等行业中,被广泛用于制造各种载流弹性元件、接触弹簧、开关、转换器、端子类元件。本文采用铸锭冶金法制备了Cu-Si-Ni合金,通过差热分析（DSC）、硬度测试、室温拉伸、电导率测定、X射线物相分析（XRD）、金相（OM）和电子显微分析（SEM）等方法研究了不同加工工艺和热处理工艺对Cu-3Si-2Ni合金力学性能、导电性能及其组织结构的影响和变化规律,并从理论上进行了分析和解释。研究结果表明:（1）Cu-3Si-2Ni合金铸锭均匀化过程中,合金显微组织结构发生了显著变化:铸锭中的枝晶组织和非平衡共晶组织随均匀化温度的升高和时间的延长而消失,合金的硬度值也随之下降且性能更为均匀。利用Fick第一定律对合金均匀化过程进行了动力学研究,并对均匀化过程中合金元素的扩散现象进行了解释。根据实验和理论计算,得到该合金较合适的均匀化退火工艺为900℃×4h。（2）热轧态样品经固溶处理后,加工硬化消除,硬度和强度明显下降,基体软化,塑性提高。固溶后合金组织为α-Cu基体。固溶温度对合金性能的影响要大于固溶时间。Cu-3Si-2Ni合金的较合理固溶处理工艺为900℃×45min。（3）Cu-3Si-3Ni合金是时效强化型合金,固溶处理后的合金,再进行时效处理可以进一步改善该合金性能。时效过程中过饱和固溶体分解析出第二相Ni2Si,引起沉淀强化及固溶元素在基体中的贫化,使合金的硬度、强度和电导率提高。Cu-3Si-2Ni合金的较合适时效处理工艺为450℃×2h。（4）Cu-3Si-2Ni合金时效过程中电导率的增加量同第二相的析出量存在着线性关系,通过测量电导率在时效过程中的变化就可以反映出合金的第二相析出过程。由电导率与第二相析出的体积分数之间的线性关系得出,在450℃下合金时效时的Avrami动力学经验方程为:f=1-exp（-0.5085t0.4156）;450℃时效的电导率方程:σ=7.4+0.81（1-exp（-0.5085t0.4156））（5）形变热处理（固溶-冷变形-时效）工艺可大大提高合金时效后的最终强度,并且对电导率影响很小。所研究合金的强化机制包括固溶强化、加工硬化及析出强化。（6）在本论文实验条件下,合金综合性能较好的热处理工艺为900℃×45min固溶水淬+60%冷变形+450℃×2h时效空冷,合金的力学和电学性能可达:σb=516.94MPa,σ0.2=471.81 MPa,δ=3.91%,σ=8.1%IACS,E=87GPa,弹性比功=1.273GPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 铜基弹性合金的概述
• 1.2.1 铜基弹性合金的特性及分类
• 1.2.2 铜基弹性合金的强化方法
• 1.2.3 影响铜基弹性合金电导率的因素
• 1.2.4 影响金属弹性模量的因素
• 1.3 合金元素对铜-硅合金的影响
• 1.4 Cu-Si-Ni 系合金研究的现状
• 1.4.1 Cu-Si-Ni 系合金的强化机制
• 1.4.2 Cu-Si-Ni 系合金的合金化
• 1.4.3 Cu-Si-Ni 系合金的形变热处理
• 1.5 研究目的及内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究的主要内容
• 第二章 材料制备与实验方法
• 2.1 合金的成分设计
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 合金成分
• 2.2.2 熔炼与铸造
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 均匀化
• 2.3.2 热轧
• 2.3.3 固溶时效
• 2.3.4 形变及热处理
• 2.4 材料性能检测及组织观察
• 2.4.1 力学性能检测
• 2.4.2 电导率的测量
• 2.4.3 弹性比功
• 2.4.4 显微组织结构分析
• 第三章 Cu-3Si-2Ni 合金均匀化工艺的研究
• 3.1 均匀化退火工艺对铸态合金显微组织及成分分布的影响
• 3.1.1 铸态合金显微组织及成分分布
• 3.1.2 均匀化态合金显微组织及成分分布
• 3.2 均匀化退火工艺对合金力学性能的影响
• 3.3 拉伸断口形貌
• 3.4 均匀化过程动力学分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 固溶处理对合金组织性能的影响
• 4.1 固溶处理对合金显微组织的影响
• 4.1.1 固溶温度对合金显微组织的影响
• 4.1.2 固溶时间对合金显微组织的影响
• 4.2 固溶处理对合金性能的影响
• 4.2.1 固溶温度对合金力学性能和导电性能的影响
• 4.2.2 固溶时间对合金力学性能和导电性能的影响
• 4.3 扫描电镜及能谱分析
• 4.4 XRD 物相分析
• 4.5 合金拉伸断口扫描电镜分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 时效处理对合金组织性能的影响
• 5.1 时效处理对合金组织的影响
• 5.1.1 时效温度对合金组织的影响
• 5.1.2 时效时间对合金组织的影响
• 5.2 时效处理对合金力学性能和导电性能的影响
• 5.2.1 时效温度对合金力学性能和导电性能的影响
• 5.2.2 时效时间对合金力学性能和电学性能的影响
• 5.3 XRD 物相分析
• 5.4 合金拉伸断口扫描电镜分析
• 5.5 时效动力学分析
• 5.5.1 合金的电导率与析出相的体积分数的关系
• 5.5.2 Avrami 经验方程系数的确定
• 5.6 本章小结
• 第六章 形变对合金组织和性能的影响
• 6.1 预变形对固溶态 Cu-3Si-2Ni 合金力学性能和电导率的影响
• 6.2 预变形量对合金时效过程的影响
• 6.2.1 不同加工方式下合金的力学性能和电学性能
• 6.2.2 预变形量对合金时效前后的力学性能和电学性能的影响
• 6.2.3 预冷变形对合金时效过程的影响
• 6.2.4 形变及热处理态合金的显微组织分析
• 6.3 Cu-3Si-2Ni 合金的弹性模量及弹性比功
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、发表论文与获奖情况