Cu-15Ni-8Sn-XSi合金和Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金中的相变及其对合金性能的影响

摘要

本文利用力学与电学性能测试，金相与透射电镜观察，X-射线衍射与选区电子衍射分析，扫描电镜和能谱分析等方法对Cu-15Ni-8Sn合金的相变过程以及合金的组织结构与性能之间的关系进行了研究。并研究了添加Si对Cu-15Ni-8Sn合金组织结构与性能的影响，确定了Si在合金中的存在形式、添加Si的作用及其机理。最后，根据微合金化原理，以添加Al和Si的方式对低Sn含量的Cu-9Ni-2.5Sn合金进行了改造，使该合金由固溶强化型转变为沉淀强化型，分析了Si和Al在该合金中的存在形式及所起到的作用，并研究了该合金形变热处理工艺。主要结论如下： 1.详细研究了Cu-15Ni-8Sn合金相变过程，该合金的主要相变产物有：调幅分解引起的调幅结构，DO22结构有序相，L12结构有序相，不连续沉淀γ相和连续沉淀γ相。其完整的相变序列为：调幅分解→DO22有序→L12有序→不连续沉淀→连续沉淀。根据本研究所得到的不同时期的相变序列及相应的相变产物绘制了Cu-15Ni-8Sn合金的TIT图。2.根据相变热力学和相变动力学，分析了调幅分解和有序化两个相变间的关系，并对Cu-15Ni-8Sn合金中有序化出现在调幅分解之后这一实验现象做出了解释。认为：有序化所需溶质原子的浓度远高于平均值，只有通过调幅分解产生浓度起伏才能达到有序化相变所需的成分条件。 3.DO22和L12两种有序结构尽管化学式都可以写成(Cux,Ni1-x)3Sn，但是x值不同，这两种没有亚群关系的有序结构可以共存，并且是先发生DO22有序，再发生L12有序，两者均以调幅分解获得其形核的浓度起伏，它们之间不存在结构继承关系。本研究还根据DO22有序相三个变体的电子衍射特征及其相变应变的方向性，理论上预言了DO22具有针状形貌。 4.在Cu-15Ni-8Sn合金的相变过程中，除了调幅分解之外，有序化转变也会对合金性能带来有利影响，本文研究结果表明，有序相沉淀产生的强化效应远大于调幅分解。从性能上看，时效之前的预冷变形可以大大提高Cu-15Ni-8Sn合金硬度，加快合金时效硬化的进程，形变量越大，这种影响越明显。从组织结构上看，预冷变形可以抑制有序转变的出现，但却促进了不连续沉淀相的形核与长大并改变其分布。 5.Cu-15Ni-8Sn合金中添加Si可以起到极佳的组织细化和晶粒细化的效果，但是当Si含量达到一定值时(如0.6Si)，这种细化作用不再增加。添加的Si主要与Ni结合，形成Ni31Si12相和Ni3Si相。其中，Ni3Si相具有与基体相同的结构，并且点阵常数相近，对细化起了主要作用。Ni3Si相在合金中随温度变化可以可逆的溶解和析出，时效时，它易于在晶界上沉淀，占据γ相不连续沉淀形核位置，抑制时效后期出现的不连续沉淀。这种抑制作用在含0.3Si时最强，Si含量增加，其作用反而减弱。这是因为Si含量过大，易于形成难溶的Ni31Si12相，它不仅分布于晶界甚至在晶内大量的形成，反而为不连续沉淀相提供了形核位置，促进了不连续沉淀的发生，降低了合金性能。 6.综合Si对Cu-15Ni-8Sn合金的组织和性能的影响，认为在Cu-15Ni-8Sn合金中Si的添加量在0.3左右最为适宜。Cu-15Ni-8Sn-0.3Si合金较合理的均匀化退火制度为860℃～880℃保温4h～8h。经一定程度的预冷变形后，在400℃～450℃之间时效1h～3h，Cu-15Ni-8Sn-0.3Si合金可以得到较高的力学性能和电学性能。 7.在Cu-9Ni-2.5Sn合金中添加的Si可与Ni结合形成δ-Ni2Si相，使合金从固溶强化型转变成沉淀强化型。δ-Ni2Si析出物与基体晶格间存在确定的位向关系：(110)m//(211)ppt、[110]m//[324]ppt，其对基体的强化遵循Orowan机制。实验中没有发现Ni2Al强化相的出现，添加Al的作用主要为增加Si的溶解度，提高其沉淀强化效果。 8.与传统的工艺(热轧开坯+固溶处理+冷轧时效)相比，对Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金采用简化的形变热处理工艺，即960℃～700℃热轧开坯后直接淬火，90％冷轧、480℃时效，可使合金电导率明显提高，其值可达15％IACS以上，同时还可获得与传统工艺同样的高硬度(HV=380)。 9.Cu-15Ni-8Sn合金和Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金都存在着较严重的Sn元素的枝晶偏析和反偏析。对Cu-15Ni-8Sn合金，采用860℃～880℃保温4h～8h的均匀化退火工艺较为适宜，对Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金采用900℃～960℃保温1h～4h的均匀化退火工艺较为适宜。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1导电弹性材料的性能要求及应用

1.2高导电、高弹性金属材料分类及其研究进展

1.2.1低温退火强化型弹性合金

1.2.2时效强化型弹性合金

1.2.3调幅分解强化型合金(spinodal分解型)

1.2.4微粒弥散强化型弹性合金(颗粒复合材料)

1.2.5包覆型复合材料

1.3 Spinodal分解强化型的Cu-Ni-Sn合金

1.3.1经典的Spinodal分解理论

1.3.2 Cu-Ni-Sn弹性材料的研究状况

1.3.3 Cu-Ni-Sn合金的性能及影响因素

1.3.4 Cu-15Ni-8Sn合金的优良特性

1.3.5本研究的目的、意义与研究内容

1.4本章小结

第二章实验原理与方法

2.1材料制备

2.2维氏硬度测量

2.3电导率的测定

2.4金相显微组织观察

2.5 X-射线衍射分析

2.6扫描电镜观察及能谱分析

2.7透射电镜分析

2.8 Spinodal分解的判据

第三章Cu-15Ni-8Sn合金相变过程的研究

3.1前言

3.2 Cu-15Ni-8Sn合金的高温相变

3.2.1淬火态

3.2.2 700℃

3.2.3 650℃

3.2.4 600℃

3.2.5 550℃

3.3 Cu-15Ni-8Sn合金的低温相变

3.3.1 500℃

3.3.2 450℃

3.3.3 400℃

3.3.4 350℃

3.3.5 300℃

3.3.6 280℃

3.4 Cu-15Ni-8Sn合金的TTT图

3.5 Cu-15Ni-8Sn合金的组织与性能的关系

3.6形变对Cu-15Ni-8Sn合金组织结构和性能的影响

3.7本章小结

第四章添加Si对Cu-15Ni-8Sn合金组织与性能的影响

4.1 Cu-15Ni-8Sn-XSi合金铸态组织分析

4.2 Cu-15Ni-8Sn-XSi合金均匀化退火态显微组织分析

4.3 Cu-15Ni-8Sn-XSi合金挤压态显微组织分析

4.4 Cu-15Ni-8Sn-XSi合金固溶处理后的显微组织分析

4.5时效对Cu-15Ni-8Sn-XSi合金性能的影响

4.5.1时效温度对Cu-15Ni-8Sn-XSi合金性能的影响

4.5.2 Si含量对Cu-15Ni-8Sn合金性能的影响

4.5.3预冷变形对Cu-15Ni-8Sn-XSi合金性能的影响

4.6添加Si对Cu-15Ni-8Sn-XSi合金组织结构的影响

4.7均匀化退火对Cu-15Ni-8Sn-0.3Si合金组织的影响

4.7.1均匀化退火温度和时间对Cu-15Ni-8Sn-0.3Si合金组织的影响

4.7.2均匀化动力学分析

4.8本章小结

第五章低Sn含量的Cu-Ni-Sn合金热处理工艺与性能研究

5.1均匀化退火对Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金铸态组织的影响

5.1.1 Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金铸态组织结构分析

5.1.2均匀化退火对Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金组织的影响

5.2时效后Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金的性能与组织结构

5.2.1时效对合金导电性的影响

5.2.2时效对合金显微硬度的影响

5.2.3 Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金的金相组织分析

5.2.4 Cu-9Ni-2.5Sn-1.5Al-0.5Si合金的透射电镜观察

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要的研究成果