通过剧烈塑性形变和析出优化Cu–Cr–Zr的强度和韧性概要

通过剧烈塑性形变和析出优化Cu–Cr–Zr的强度和韧性关键词：等通道转角挤压、有色合金、显微结构、强化摘要研究了剧烈塑性变形后，变形前和变形后均时效硬化处理的铜铬锆合金的显微组织和力学行为。

通过变形产生的位错亚晶结构引起强度的增加和韧性的降低。

形变后温和退火引起轻微亚结构粗化，位错的一些消失，并同时析出，从而增加强度与韧性的一些提高。

在形变前为了析出进行相同的热处理得到更精细的亚结构，剪切降低颗粒尺寸，并导致部分溶解。

根据形变亚结构和析出相颗粒的作用方面分析了强度和韧性。

1.引言Cu-Cr-Zr的合金在电子／微电子工业是有着极大的兴趣，材料之一，因为它们的高强度，耐高温性，良好的成型性和良好的导电性。

这种特性也使得这些合金在核聚变反应堆几个组件上使用很有趣[1]。

这些材料是通过冷加工，以及由Cr和复杂的Cu-Zr相析出来强化[1,2]。

这些合金里析出和强化是众所周知的[1,2]，在几十年里相当多的工作研究了较前的塑性变形对析出和强化的作用，以及在Cu-Cr和Cu-Cr-Zr的基础上进一步的添加的合金元素的作用，包括添加如磷，镁[3,4]。

剧烈塑性变形，经常通过等通道转角挤压（ECAP）得到，已经有十多年在很宽的范围的韧性金属和合金里已被广泛研究过[5,6]，包括纯Cu[7,8]和Cu-Cr[9-11]和Cu-Cr-Zr的[12]合金。

当在高的应变变形时，微观结构细化到约100-200纳米等轴亚晶/晶粒的尺寸，同时强度显著增加。

在低应变下形成小角度晶界，在较高应变下逐步转化为高角度晶界[8,9]。

强化的实现被解释为位错强化[8]或位错胞壁硬化[7]，从低到高的角度亚晶/晶界的转变即在高应变[9-11]霍尔佩奇晶粒尺寸硬化就变得很重要。

同时对于这样严重变形铜合金的韧性仍旧良好.有几项研究已经研究过在等通道转角挤压前[10]或[11,12]后进行析出时效的Cu-Cr和Cu–Cr–Zr合金的力学行为。

在等通道转角挤压后，与固溶材料相比较，时效[9,12]导致加速析出，在所有情况下[10-12]强度和韧性都观察到一个很有趣的增加，类似于先前报道的辊压接合Cu-Cr-Zr 合金[13] 和一些等通道转角挤压加工的铝合金[5,14,15]析出后有相似的增加。

目前本文研究了通过等通道转角挤压和时效，或在等通道转角挤压前时效的铜铬锆合金的强度和韧性。

对比了两种路线下微结构的进化和塑性变形行为。

例如，把固溶材料，经过大塑性变形时，这些材料随后时效处理，和已经含有细小析出材料时的微结构的演变进行对比。

这样纳米析出对力学性能的影响可从该变形亚结构的松弛区分出来。

虽然析出导致更高的强度和均匀变形，提高韧性，亚结构的恢复可能会产生软化，但增加了加工硬化，提高韧性。

2.实验用于研究的材料是1％Cr,0.1％Zr的Cu合金（以重量计），由古德费洛提供的圆棒。

从该棒切出直径为20毫米，长度为60-80毫米的圆柱用于等通道转角挤压，该圆柱在水淬之前，在空气中，980◦C下固溶1小时处理。

该固溶化处理溶解大部分的Cr（和Zr），但留下少量未溶解的[16,17]。

未溶解的Cr为粗大的，大间隔分布的颗粒，认为这些颗粒对在等通道转角挤压过程中行为改变或对机械性能影响起不到任何作用显著。

一些试样在等通道转角挤压前、后分别在450-500◦C下时效处理0.5-1ħ，经过初步时效强化研究，以确定合适的时效条件。

等通道转角挤压处理使用路线A，在室温下进行12道次，使用一个具有圆形截面的模具，该模具11 8◦模角，每道次产生0.7％真实应变，并且使用20毫米/分的速度。

力学性能用拉伸试验进行评价，用直径为3毫米，长度为20 mm的圆柱形的样品，圆柱轴与挤压方向平行，以4×10-4/s的名义应变速率拉伸。

每种材料条件的样品分别测试两个在，保证强度和伸长率的可重复性。

在垂直的挤压和挤出方向上截取样品，用于微观结构观察，该样品通过机械或电抛光被制备。

机械抛光，使用1/4微米金刚石磨料，最后用硅胶，用来制备用于扫描电子显微镜（SEM）的样品，以背散射电子（BSE）模式，以及电子背散射衍射（EBSD）模式。

使用双喷射装置，在–15 .C和15V下使用30％的硝酸和甲醇的混合物电抛，为接下来的透射电子显微镜（TEM）制备样品。

扫描电镜使用配备有使用HKL通道5的软件的EBSD系统的JEOL 6500 F仪器，和场发射的日立S-4800，并且TEM研究使用JEOL 2010 FX。

变形的亚晶粒/晶粒微结构使用SEM-BSE显微照片以及EBSD取向图进行量化。

放大倍率20,000的SEM-BSE图像，面积约几百平方微米，包含了几千亚晶粒/晶粒，采用西格玛扫描仪和Excel软件对其分析。

EBSD 取向图在超过几百平方微米的面积并使用70nm大小的步长采得，对每个样品检查几个扫描的区域。

由于细小的变形亚晶粒/晶粒结构，使用小的步长是必需的，以获得良好的显微尺寸和晶界取向差统计。

使用衍射衬度引起的TEM明场像观察了位错胞和亚晶微观结构,也使用相位衬度TEM明场像下分析了析出相。

析出相尺寸和数量使用上述的sigma scan pro和Excel软件进行分析。

并从晶界附近的厚度条纹的数目来估计试样的厚度。

每单位体积的颗粒数应该通过相应时效条件下平衡相图的析出相的体积分数[16,17]给出（考虑到对于理想固溶来说，固溶度随温度变化）。

3.结果3.1初步时效强化测量时效强化行为的研究给出了等通道转角挤压前后时效的合适的的热处理。

对于固溶材料和经过4-8次道等通道转角挤压过后的硬度演化示于图1。

固溶材料在300以上温度退火30分钟硬度显著增加，图1A，在450〜500C◦C退火0.5-1小时后达到最大值。

该材料在等通道转角挤压之后更硬，如图1A，显示出类似的时效硬化动力学从而达到更高的硬度。

相对于固溶材料，硬化动力学有轻微的增加，正如先前[9,12]，以及在600◦C的退火时出现过时效软化，这在固溶材料上是看不到的。

在450-500◦C 0.5-1ħ的退火导致最大硬度，几乎没有过度时效或在时效之下，图1b。

基于这些研究中，因此450◦C 退火1-2小时和在500◦C退火0.5-1ħ分别被选择为固溶和等通道转角挤压材料的合适的热处理。

图1.在随后的退火期间固溶和ECAP材料硬度的变化：（a）为材料在各温度下退火30分钟的（部分退火为1或2小时）;及（b）为在450◦C退火不同时间的材料。

3.2等通道转角挤压处理后样品的力学行为样品显示在等通道转角挤压后有很大强度的增加，有个圆形屈服阶段，1-2％的应变时高的加工硬化，并慢慢地减少应力直至失效期变长，如图。

2。

这些曲线与之前报道的那些Cu-Cr，铜- 铬- 锆[9-12]和其他合金类似[5]。

增加等通道转角挤压应变导致强度稳定增加，但其他变化不明显。

等通道转角挤压后在450-500◦C时效出现屈服不连续，参见图2，随后是短暂的常应力平台，在此之后，应力慢慢下降。

在等通道转角挤压前材料的时效表现出类似于那些的固溶-等通道转角挤压后材料的应力- 应变曲线，参见图2。

样品将以韧性方式断裂并且形成颈缩和韧窝断裂面。

图.2.典型的工程应力- 应变（十字头位移/样品计长度）曲线，其在几个等通道转角挤压和退火材料的拉伸试验期间测得：等通道转角挤压到12道次后，随后在退火450◦C;；材料在450◦C退火1小时，然后ECAP4 道次。

图.3对于最初固溶材料，屈服应力随着通道转角挤压次数的变化。

随后450-500◦C 时效0.5-1小时的效果也如图所示。

也给出了在450-500◦C时效1小时和随后4 次等通道转角挤压材料的数据。

屈服应力随等通道转角挤压应变的变化示于图.3和表1中，也给出了随后的时效影响（对等通道转角挤压后材料和固溶材料）。

等通道转角挤压后，甚至轻度时效（在450-500◦C），在屈服应力和最大应力之间几乎没有什么差别（约5-10兆帕）。

第一次等通道转角挤压后引发显著硬化的强度，此后，继续增加到最高应变来检测。

固溶材料时效导致大的强度提高，但是在先前的等通道转角挤压后有一个非常小的增加。

对所有的等通道转角挤压材料，不管挤压道次数，时效硬化的幅度非常相似（80兆帕）。

有趣的是，样品在等通道转角挤压前的时效显示比相应的等通道转角挤压之后的时效的材料有更高的强度增加（约40兆帕）。

韧性随着热处理和等通道转角挤压的变化归纳在表1中。

固溶材料约50％韧性下降到等通道转角挤压后到10％，等通道转角挤压道数对此几乎没有影响。

虽然固溶材料的时效强化使得材料韧性降低。

对等通道转角挤压前同样时效处理材料使得与变形状态相比延展性略有增加。

在等通道转角挤压前给予材料时效化处理，显示出与固溶材料和变形材料类似水平的延展性。

正如图.2，对应最大应力的应变通常是断裂韧性十分之一，并对于断裂应变根据处理方法以类似的方式变化。

3.3等通道转角挤压和退火期间的组织演变由等通道转角挤压和随后的退火产生的典型显微结构示于图4。

非常精细的微结构可以被看到，如图4a，在ECAP出口附近有拉长倾向，特别在很少道次的等通道转角挤压后，次数越多越倾向于成为等轴，如图4b。

对所有材料，发现偶尔有巨大的在固溶化处理期间未溶解的（0.5μ）铬颗粒。

这些不受变形影响，并且太分散以至于对亚结构细化起不到任何作用。

一些亚晶界显示了巨大的衬度变化，表明穿过晶界有巨大的取向差，而另一些则显示小得多衬度变化。

为了保证对不同的材料微结构尺寸的合理量化，努力确保所有显微照片有相似衬度和所有图像有相似的衬度分辨率。

退火处理几乎没引起微结构的变化，参见图4C，随着在等通道转角挤压前的时效化，材料也呈现出非常相似的微观结构。

电子背散射衍射(EBSD)分析了一些材料的微观结构，如图5中所示。

图5a示出4道次等通道转角挤压料的反极图，可以看出微观结构稍微拉长,类似在图4中的SEM-BSE图像，不同取向差的晶界被标记在图5a。

图4.在BSE衬度模式中SEM图像，显示固溶材料被如下处理后典型的亚结构：（a）4道次ECAP，（b）12道次ECAP，以及（c）4 道次ECAP和在450◦C 退火1小时。

（黑色为高角度晶界，白色为小角度晶界），证实了有大范围的晶界角度。

图5b示出了从这个图测出晶界取向差的直方图，证实绝大多数晶界是在10°以下取向差的低角度亚晶界。

比较微结构的大小，从图5a中测量的,由此证实了SEM-BSE图像检测出取向差低于2°的亚晶，接近电子背散射衍射技术的分辨率。

鉴于这种更好的量化统计方法，SEM-BSE图像被用来表征微结构。

图5.(a) 4道次等通道转角挤压材料横截面的反极图。

晶粒取向根据通常的三角形单元着色(001－红色,011－绿色,111－蓝色) 大角度晶界（15◦取向差以上）由黑线表示，而低角度晶界（<2◦取向差）由白线表示。