Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料的冷轧变形行为及界面过渡层演变

高铍含量的铍铜(Cu-Be)合金时效后抗拉强度可达1400 MPa以上,伸长率却不到5%,呈现显著的强度-塑性倒置关系,严重影响了合金服役的安全可靠性。高强Cu-Be合金塑性变形时产生的局部应变集中现象是导致其低塑性的根本原因,将层状非均质构型设计的思想运用于Cu-Be合金,构建Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,可以有效减少该现象的产生,有望获得高强塑性的层状金属基复合材料。运用塑性变形法制备层状金属基复合材料简单易行,受到广泛关注。前人对层状金属基复合材料轧制变形规律的研究主要集中在复合材料金属组元方面,对界面过渡层变形规律研究较少。本工作利用真空热压复合及后续冷轧变形的方式制备了Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料,利用光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)结合能谱仪(EDS)、显微维氏硬度计对Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧变形行为及界面过渡层的演变进行了研究。研究结果表明,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧前金属层间界面基本呈平直状,界面结合良好且无裂纹、孔洞等缺陷。当冷轧压下率不超过50%时,Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料发生不均匀的宏观变形,Cu-Zn层在板材厚度方向的变形量明显大于Cu-Be层和界面过渡层,当冷轧压下率为35%时,界面过渡层的厚度仅减小8.3%,不均匀的塑性变形导致Cu-Be/Cu-Zn界面由平直状态变为波浪状态;当冷轧压下率超过65%时,层状金属基复合材料内部发生均匀、协调的变形,各层厚度基本按照总冷轧压下率变化。不同冷轧压下率下,显微硬度最高的均为过渡层,其次是Cu-Be层,而Cu-Zn层的显微硬度最低。这是因为在层状金属基复合材料冷轧变形过程中,界面过渡层主要起到协调变形的作用,处于显著剪切应力状态,会产生额外的背应力强化。本工作探讨了界面过渡层在Cu-Be/Cu-Zn层状金属基复合材料冷轧过程中的宏观变形以及强化机理,有助于进一步阐明层状金属基复合材料塑性加工变形规律并合理制定其塑性加工工艺。

Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料固溶时效后的显微组织与力学性能

通过真空热压、冷轧变形及后续热处理的方式制备了Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料,利用XRD、OM、SEM和EDS对不同热处理状态下材料的物相及显微组织进行了研究,测试并分析了材料的力学性能。结果表明,固溶态及时效态Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料的主要物相均为Cu_(0.7)Zn_(0.3)相及Cu相,时效态层状复合材料中还存在少量Cu Be相;固溶态及时效态层状复合材料晶粒尺寸均呈双峰分布,Cu-Zn层晶粒尺寸约为Cu-Be层的3倍。经过相同的固溶及时效热处理后,Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料抗拉强度为857 MPa,较Cu-Be合金低23.0%,但均匀伸长率达到15.3%,较Cu-Be合金提高了4.7倍。根据KME模型,塑性变形过程中Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料的位错动态回复速率较Cu-Be合金大幅降低,材料的应变硬化能力显著提高,这是Cu-Be/Cu-Zn层状复合材料具有高强韧性的主要原因。