铜及其合金梯度结构制备及性能研究进展

高性能铜及铜合金由于其高导电性、高导热性、高强度、高耐蚀及可镀性、易加工性等系列优良特性而成为多个领域开发中必不可少的材料。研究发现,梯度结构的存在可有效提高铜及铜合金的强度,同时保持原有的塑性。区别于传统铜及其合金,表面细晶到心部粗晶的逐渐过渡及位错缺陷等的相互作用使梯度结构铜表现出更好的强塑性协同效应,正是这种异质性促使材料性能进一步提升。然而,基于梯度结构材料的异质性,传统铜及其合金的变形机制、制备技术及仿真模拟等并不适用于梯度结构铜及其合金,这使得梯度结构铜及其合金的实际生产应用受到极大限制。鉴于此,本文从梯度结构的制备工艺其性能改善方面综述了现有梯度结构铜及其合金的研究进展,梳理了诸多领域内梯度结构铜及铜合金材料的发展及现状,并分析了梯度结构铜合金材料的研究趋势与应用需求。

多级梯度结构对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

为了进一步提升析出强化铝合金的强度,采用表面超声滚压和低温时效工艺制备一种多级梯度结构材料,并用SEM/TEM表征分析表层组织。研究结果表明:表层晶粒和析出相均呈现梯度分布。此外,对梯度层的析出相分析发现晶内析出相和晶界析出相种类存在区别,并且伴随着距表面深度的增加,晶界析出相和晶内析出相的数量密度都呈现降低趋势。与时效后粗晶试样相比,多级梯度结构试样的强度得到提升(屈服强度和抗拉强度分别从480 MPa和622 MPa提升到562 MPa和692 MPa)并保持良好的塑性。通过定量计算,发现多级梯度结构试样的强化增量主要源于晶界强化、沉淀强化、位错强化和协同强化的共同作用。

Al-Cu-Mn合金复合纳米结构构筑及强塑性机制研究

211ZX铝合金是新一代Al-Cu-Mn系耐热高强韧铝合金,为进一步提升该材料的室温成形性、力学性能和工业应用价值,通过形变热处理工艺在该合金中构筑了由超细晶、纳米晶、位错网状结构和纳米析出相组成的复合结构,使纳米薄板材的拉伸强度和塑性同时得到提高。该工艺包括固溶处理、室温多道次累积轧制变形和后续低温时效。相较于传统T6态,复合纳米结构使合金的屈服强度提升了~213 MPa,与大变形制备的211ZX铝合金纳米薄板材相比,该复合纳米结构使合金的均匀延伸率提升了~5%。通过X射线衍射仪(XRD)、激光共聚焦显微镜(CLSM)和透射电子显微镜(TEM)等微观结构表征,结合强化机制的分析,研究发现细晶强化和析出强化对具备复合结构薄板材的材料屈服强度贡献最大。借助硬度、拉伸曲线、断口截面TEM分析、位错密度及纳米析出相的演变规律分析,可以明确位错回复和高密度的纳米析出相是提升211ZX铝合金板材塑性的主要因素。

深过冷条件下珠光体特征尺寸及断裂行为分析

采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、Instron拉伸机、原位拉伸等实验方法,研究了深过冷工艺对珠光体特征尺寸及断裂行为的影响。结果表明:在相同奥氏体晶粒尺寸条件下,过冷奥氏体通过深过冷条件后,比直接等温所得的珠光体团尺寸降低47.9%,珠光体平均片层间距细化12%。拉伸性能表明,在相同等温温度下,通过深过冷后的试样塑性指标明显提升。原位拉伸观察发现,直接等温试样珠光体团较大,变形协调性较差,微裂纹易在珠光体团内萌生,而深过冷试样珠光体团较细,珠光体团之间变形协调性更好,拉伸变形过程中裂纹萌生位置较少。对比断口附近裂纹扩展路径,直接等温试样中裂纹沿Fe_(3)C/α-Fe片扩展,而深过冷试样中裂纹沿珠光体团界扩展,因此通过调整相变条件实现对珠光体团尺寸的细化,能改变裂纹萌生扩展特点,提高材料塑性指标。