【摘要】：近年來,金屬材料電磁凝固技術(shù)的應(yīng)用不僅豐富和發(fā)展了金屬凝固理論,而且還有力推動了新材料新技術(shù)的發(fā)展。Cu-Fe形變原位復(fù)合材料因其良好的綜合性能被認為是一種極具工業(yè)應(yīng)用前景的高強高導(dǎo)電銅基材料,但其凝固組織中發(fā)達的Fe枝晶與殘留的固溶Fe原子極大約束了 Cu-Fe復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。外加磁場能夠改變凝固過程中熔體的熱量、質(zhì)量與動量傳輸過程,從而調(diào)控材料的組織、溶質(zhì)分布和性能,且具有無污染、非接觸等優(yōu)點。本文聚焦如何在Cu-Fe合金凝固過程中調(diào)控初生Fe相的生長分布和促進Cu基體中固溶Fe原子析出這兩個關(guān)鍵科學(xué)問題,提出了采用外加交變磁場調(diào)控凝固組織、促進析出的研究思路�；贑u-14Fe和Cu-8Fe兩種復(fù)合材料,研究交變磁場對Cu-Fe原位復(fù)合材料凝固行為的影響規(guī)律及作用機制,在凝固工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上建立了高強高導(dǎo)電銅材料交變磁場凝固工藝。結(jié)合相圖熱力學(xué)計算,探索了交變磁場和Ag微合金化復(fù)合工藝下Cu-Fe形變原位復(fù)合材料從凝固到形變階段組織與性能的演變規(guī)律。得到以下主要結(jié)論:(1)交變磁場下Cu-Fe原位復(fù)合材料凝固行為研究表明,交變磁場從晶核游離、枝晶臂熔斷和固/液界面穩(wěn)定性等三個方面影響了初生Fe相的形核與生長,促進初生Fe相由發(fā)達的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿∷N薇狀或球狀晶粒,且晶粒分布更均勻。交變磁場下熔體的強制對流能夠有效抑制Fe相由于比重差造成的上浮遷移,促進Fe相均勻分布,顯著改善宏觀偏析等缺陷。交變磁場的應(yīng)用影響了溶質(zhì)元素的傳輸過程,有效降低了材料的氧含量并顯著影響了 Cu基體和初生Fe相中的溶質(zhì)分布。提出了 Cu-Fe原位復(fù)合材料的強化機制包括固溶強化、析出強化和細晶強化三類強化方式,其強化模型可表示為遵循ROM法則和Hall-Petch效應(yīng)下三種強化機制的交互作用。Cu-Fe原位復(fù)合材料的導(dǎo)電機制主要取決于Cu基體中的雜質(zhì)散射電阻,氧含量和Cu基體中Fe含量的下降均有利于材料電導(dǎo)率的改善。交變磁場凝固工藝在電氣化鐵路產(chǎn)品用Cu-Fe-P-RE合金中的應(yīng)用試驗表明,鑄坯中晶粒的尺寸和分布顯著改善,力學(xué)性能和耐蝕性均有所提高,材料綜合性能優(yōu)于原常規(guī)熔鑄生產(chǎn)產(chǎn)品。(2)交變磁場在Cu-Fe原位復(fù)合材料凝固過程中的應(yīng)用能夠有效降低Cu基體中固溶Fe原子的含量。Cu-Fe原位復(fù)合材料經(jīng)不同電磁參數(shù)交變磁場處理后,Cu基體中Fe的含量有所下降,且Fe含量水平隨磁感應(yīng)強度的增加而逐漸降低。依據(jù)力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的測試結(jié)果與計算,通過熱力學(xué)和動力學(xué)機制分析,本文提出了交變磁場凝固下固溶Fe原子的析出機制,認為在交變磁場影響下,熔體過冷度的增加降低了晶體的形核自由能,減小了原子簇團從液相到固相需要克服的勢壘,有利于促進凝固過程中Fe原子的析出形核,從而降低Cu基體中固溶Fe原子的含量。(3)微量Ag元素的加入能有效細化初生Fe相并降低Cu基體中Fe的含量。綜合運用交變磁場對Fe原子的促進析出作用和Ag對Fe原子的抑制固溶作用,交變磁場和Ag微合金化復(fù)合工藝下Cu-Fe原位復(fù)合材料組織和性能的優(yōu)化效果更為顯著。相比常規(guī)凝固工藝,初生Fe相平均晶粒尺寸下降約25%,材料電導(dǎo)率提高約20%。凝固組織中初生Fe相的形態(tài)分布和Cu基體中Fe的含量對材料形變后的綜合性能有重要影響。Cu-Fe形變原位復(fù)合材料的強化機制包括位錯強化、Fe纖維的Hall-Petch效應(yīng)和Fe粒子的析出強化。復(fù)合工藝下凝固組織中初生Fe相的細化和彌散分布減小了形變后Fe纖維的尺寸和間距,提高了等應(yīng)變量下復(fù)合材料的抗拉強度和塑性。Cu-Fe形變原位復(fù)合材料的導(dǎo)電機制取決于Cu基體中雜質(zhì)散射電阻與相界面散射電阻的綜合影響,形變加工初期,Cu基體中的雜質(zhì)和缺陷是影響材料導(dǎo)電性能的主要因素,當(dāng)η3.7時,相界面密度的上升成為影響材料電導(dǎo)率的主要因素。交變磁場和Ag微合金化復(fù)合工藝制備的Cu-Fe形變原位復(fù)合材料綜合性能顯著改善,Cu-14Fe形變原位復(fù)合材料抗拉強度最大提高約16%,電導(dǎo)率最大提高達20%。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

葛繼平等發(fā)現(xiàn)，Ｃｕ－Ｆｅ合金顯微組織為Ｃｕ基體上分布著樹枝狀的Ｆｅ相，逡逑且枝晶尺寸隨著Ｆｅ含量增加而更發(fā)達。冷變形后，Ｆｅ相在縱截面上形成細條逡逑狀纖維組織，橫截面上呈彎曲的薄片狀，如圖１．３所示［９６］。Ｌｉｕ［９７，９８］等認為冷變逡逑形過程中Ｆｅ枝晶形成纖維的演變過程主要經(jīng)歷了枝晶破碎、晶粒變形、纖維合逡逑并和纖維細化等四個階段，形成立體形態(tài)為彎曲的薄片狀的纖維組織。界１１等［９９］逡逑對Ｃｕ－Ｆｅ形變原位復(fù)合材料研宄發(fā)現(xiàn)，大應(yīng)變量形變加工使初生Ｆｅ相形成強逡逑烈的變形織構(gòu)，復(fù)合材料中Ｃｕ晶體和Ｆｅ晶體均沿加工方向發(fā)生織構(gòu)取向和分逡逑布的變化。逡逑圖１．２邋Ｃｕ－Ｆｅ合金凝固組織（ａ）常規(guī)凝固；（ｂ）快速凝固［９３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｃｕ－Ｆｅ邋ａｌｌｏｙ：邋（ａ）邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；邋（ｂ）邋ｒａｐｉｄ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ＾９３】逡逑圖１．３邋Ｆｅ相形貌⑷鑄態(tài)組織；（ｂ）形變組織（『４．８）邋［９６］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋Ｆｅ邋ｐｈａｓｅ：邋（ａ）邋ｃａｓｔ；邋（ｂ）ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋（＂＝邋４．８）［９６］逡逑１４逡逑

葛繼平等發(fā)現(xiàn)，Ｃｕ－Ｆｅ合金顯微組織為Ｃｕ基體上分布著樹枝狀的Ｆｅ相，逡逑且枝晶尺寸隨著Ｆｅ含量增加而更發(fā)達。冷變形后，Ｆｅ相在縱截面上形成細條逡逑狀纖維組織，橫截面上呈彎曲的薄片狀，如圖１．３所示［９６］。Ｌｉｕ［９７，９８］等認為冷變逡逑形過程中Ｆｅ枝晶形成纖維的演變過程主要經(jīng)歷了枝晶破碎、晶粒變形、纖維合逡逑并和纖維細化等四個階段，形成立體形態(tài)為彎曲的薄片狀的纖維組織。界１１等［９９］逡逑對Ｃｕ－Ｆｅ形變原位復(fù)合材料研宄發(fā)現(xiàn)，大應(yīng)變量形變加工使初生Ｆｅ相形成強逡逑烈的變形織構(gòu)，復(fù)合材料中Ｃｕ晶體和Ｆｅ晶體均沿加工方向發(fā)生織構(gòu)取向和分逡逑布的變化。逡逑圖１．２邋Ｃｕ－Ｆｅ合金凝固組織（ａ）常規(guī)凝固；（ｂ）快速凝固［９３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｃｕ－Ｆｅ邋ａｌｌｏｙ：邋（ａ）邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；邋（ｂ）邋ｒａｐｉｄ邋ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ＾９３】逡逑圖１．３邋Ｆｅ相形貌⑷鑄態(tài)組織；（ｂ）形變組織（『４．８）邋［９６］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋Ｆｅ邋ｐｈａｓｅ：邋（ａ）邋ｃａｓｔ；邋（ｂ）ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋（＂＝邋４．８）［９６］逡逑１４逡逑

微硬度也隨之提高。凝固過程中交變磁場的應(yīng)用同時有利于促進柱狀晶向等軸逡逑晶的轉(zhuǎn)變。Ｖｉｖｅ［１２３，邋１２４］發(fā)現(xiàn)交變磁場在鋁合金的凝固中促進了凝固組織形成細逡逑等軸晶結(jié)構(gòu)。圖１．４所示為交變磁場對鋁凝固組織的影響，交變磁場下鋁晶粒逡逑形貌由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毭艿牡容S晶結(jié)構(gòu)，中心縮孔也明顯變小［１２５］。Ｃｈｅｎ逡逑等［１２６］也發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加交變磁場后，磁感應(yīng)強度在一定范圍內(nèi)的增加，Ｐｂ－Ｓｎ合金逡逑先共晶相的形貌由樹枝晶向等軸狀組織轉(zhuǎn)變，且晶粒尺寸明顯細化。逡逑＿＿逡逑圖１．４純鋁鑄錠宏觀組織⑷無磁場；（ｂ）交變磁場［１２５］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｍａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆＡｌ邋ｉｎｇｏｔｓ：邋（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔ邋ＡＭＦ；邋（ｂ）ｗｉｔｈ邋ＡＭＦ１＇２５１逡逑交變磁場產(chǎn)生的熔體流動使樹枝晶末端或二次臂脫落，造成大量枝晶碎片逡逑作為晶核，有利于等軸晶的發(fā)展和晶粒細化。對于交變磁場中熔體流動造成樹逡逑１８逡逑

【參考文獻】

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2 郭瑞鵬;馮毅;;電阻焊電極材料的研究進展[J];機械研究與應(yīng)用;2015年03期

3 張玲;周榮鋒;任海;;半固態(tài)漿料制備中交變磁場對過流熔體的作用[J];特種鑄造及有色合金;2015年06期

4 袁孚勝;鐘海燕;;引線框架銅合金材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];有色冶金設(shè)計與研究;2015年02期

5 雷少武;張炯明;董其鵬;萇真真;;EMS對板坯表層氣泡分布的影響研究[J];煉鋼;2015年02期

6 徐宇;徐榮軍;陳家昶;范正潔;李成斌;王恩剛;;旋轉(zhuǎn)電磁攪拌對1Cr13不銹鋼鑄態(tài)組織的影響[J];連鑄;2015年01期

7 董琦yN;申鐳諾;曹峰;賈延琳;汪明樸;;Cu-2.1Fe合金中共格γ-Fe粒子的粗化規(guī)律與強化效果[J];金屬學(xué)報;2014年10期

8 劉平;;高性能銅基合金的研究進展[J];功能材料;2014年07期

9 王長瑞;肖z

本文編號：2770305