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等径角挤压接触线用Cu-Cr-Zr合金的研究

作　者: 许方山
导　师: 王经涛
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料学
关键词: Cu-Cr-Zr合金 ECAP 接触导线强度导电率析出相
分类号: TG376
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 44次
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内容摘要

近年来,我国动车、高铁等新型电气化铁路建设进入了一个大规模快速发展的阶段,与此同时,作为动力支撑核心部件之一的接触导线也面临着新的机遇与挑战,要求其具有更高的抗拉强度(≥550MPa)、更好的导电性(≥80%IACS)、更好的抗软化性(≥500℃)和耐摩擦等性能。等径角挤压技术(ECAP)作为一种新型的塑性加工方法,可以在不改变材料尺寸的情况下使试样获得剧烈塑性变形,从而非常有效地细化晶粒,改善组织分布,最终提高材料的强度、韧性等宏观性能。本论文选用Cu-0.5Cr-0.16Zr合金作为研究对象,主要采用ECAP大变形技术,并结合热处理,研究了不同ECAP挤压道次、不同时效温度和时间对合金试样的抗拉强度、显微硬度、相对导电率和软化温度的影响,从中探索出了制备高强高导Cu-Cr-Zr合金的最佳形变热处理工艺。同时,利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和EDS能谱仪观察了ECAP变形及时效过程中合金显微组织的变化,确定了析出相的种类和拉伸断裂机制等。最后详细分析了Cu-Cr-Zr合金的强化机制、导电机制、抗软化机制,以及ECAP技术在其中所发挥的作用。Cu-Cr-Zr合金经过8道次Bc方式ECAP变形后,成功获得了超细晶组织,抗拉强度672MPa,显微硬度186HV,相对导电率27.4%IACS。随后将变形合金在不同温度、时间下时效,从中总结出最佳形变热处理工艺(6道次ECAP+450℃/1h时效),此时强度、硬度和导电率均获得了显著提升,分别为903MPa、280HV和73.6%IACS,力学性能与电学性能形成了良好的搭配。同时,软化温度也从0道次的460℃上升至6道次的580℃,有效改善了Cu-Cr-Zr合金的高温抗软化性能。随着ECAP挤压道次的增多,拉伸试样由典型的韧性断裂转变为沿晶脆性断裂；时效析出相呈细小、弥散分布状,成分主要为Cr单质和Zr富集相。Cu-0.5Cr-0.16Zr合金经过ECAP大变形及后续热处理后,机械性能和导电性能均得到了显著提高,这是因为：一方面,ECAP多道次挤压不仅可以产生加工硬化效果,而且能够有效细化晶粒,达到细晶强化效果；另一方面,经ECAP加工后的位错、亚晶界等显微缺陷密度大大增加,使得Gr、Zr等硬质相析出所需的扩散通道和形核位置显著增多,故而在后续热处理中第二相在很短的时间内便充分析出,且第二相粒子以等轴细小态弥散地分布于铜基体周围。合金组织中的这些微观变化最终带来了Cu-Cr-Zr合金各种宏观性能的显著提高。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-29
  1.1 接触线应用与研究现状  11-18
    1.1.1 接触线的介绍  11-12
    1.1.2 接触线用铜合金的制备  12-14
    1.1.3 电气化铁路对接触线的性能要求  14-15
    1.1.4 国内外接触线材料的研究现状与发展趋势  15-18
      1.1.4.1 铜和铜合金  16-17
      1.1.4.2 复合接触线  17-18
  1.2 铜合金的强化方法  18-20
    1.2.1 加工硬化  18
    1.2.2 固溶强化  18
    1.2.3 细晶强化  18-19
    1.2.4 第二相强化  19-20
  1.3 等径角挤压(ECAP)的变形工艺  20-27
    1.3.1 等径角挤压变形原理  21
    1.3.2 ECAP变形的工艺参数  21-25
    1.3.3 ECAP变形过程中的晶粒细化  25-26
    1.3.4 经ECAP变形后的机械性能  26-27
  1.4 等径角挤压(ECAP)的应用与展望  27-29
2 试验内容和方法  29-37
  2.1 试验方案  29
  2.2 试验材料的制备和处理  29-32
    2.2.1 熔炼  29-30
    2.2.2 常规热变形  30
    2.2.3 固溶处理  30
    2.2.4 ECAP冷变形  30-31
    2.2.5 时效处理  31-32
  2.3 材料性能测试  32-34
    2.3.1 显微硬度测试  32-33
    2.3.2 拉伸性能  33
    2.3.3 电学性能测试  33-34
    2.3.4 软化测试  34
  2.4 材料组织结构观察  34-37
    2.4.1 金相组织观察  34-35
    2.4.2 扫描电子显微镜  35-36
    2.4.3 X射线衍射分析  36-37
3 ECAP冷变形以及时效处理对Cu-Cr-Zr合金的微观组织影响  37-45
  3.1 未经ECAP变形的固溶态Cu-Cr-Zr合金的显微组织  37
  3.2 ECAP变形1～8道次后Cu-Cr-Zr合金的各截面金相组织  37-40
  3.3 ECAP+热处理后的Cu-Cr-Zr合金的扫描电镜观察和能谱分析  40-44
    3.3.1 Cu-Cr-Zr合金析出相的能谱分析  40-42
    3.3.2 热处理前ECAP变形对Cu-Cr-Zr合金析出相分布的影响  42-44
  3.4 Cu-Cr-Zr合金时效前后的X射线衍射分析  44-45
4 ECAP变形对Cu-Cr-Zr合金电学性能和力学性能的影响  45-53
  4.1 经ECAP变形后的Cu-Cr-Zr合金在电学性能上的变化趋势  45-46
  4.2 经ECAP变形后的Cu-Cr-Zr合金在力学性能上的变化趋势  46-50
    42.1 ECAP对Cu-Cr-Zr合金强度的影响  46-47
    4.2.2 ECAP对Cu-Cr-Zr合金硬度的影响  47-48
    4.2.3 ECAP对Cu-Cr-Zr合金塑性的影响  48-50
  4.3 经ECAP变形后的Cu-Cr-Zr合金的拉伸断口分析  50-53
5 ECAP变形+热处理工艺对Cu-Cr-Zr合金的性能影响  53-64
  5.1 不同的时效处理对经ECAP变形合金的力学性能影响  53-56
    5.1.1 不同时效时间下变形合金的维氏硬度变化  53-55
    5.1.2 不同时效温度下变形合金的维氏硬度变化  55-56
  5.2 不同的时效处理对经ECAP变形合金的电学性能影响  56-59
    5.2.1 不同时效时间下变形合金的相对导电率变化  56-58
    5.2.2 不同时效温度下变形合金的相对导电率变化  58-59
  5.3 ECAP+热处理工艺的综合优化  59-60
  5.4 最佳热处理后的变形Cu-Cr-Zr合金的拉伸性能  60-64
    5.4.1 不同预挤压道次对热处理后的合金强度和塑性的影响  60-62
    5.4.2 热处理后的变形合金的拉伸断口分析  62-64
6 经ECAP+最佳时效的Cu-Cr-Zr合金的高温抗软化性  64-67
7 结果分析  67-76
  7.1 ECAP对Cu-Cr-Zr合金组织的影响分析  67-71
    7.1.1 ECAP对固溶态Cu-Cr-Zr合金组织的影响  67-68
    7.1.2 时效前ECAP冷变形对Cu-Cr-Zr合金组织的影响  68-71
  7.2 ECAP对Cu-Cr-Zr合金性能的影响分析  71-76
    7.2.1 合金的强化机制  71-73
    7.2.2 合金的导电机制  73-74
    7.2.3 合金的耐高温软化机制  74-76
结论  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-82

等径角挤压接触线用Cu-Cr-Zr合金的研究

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