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南理工趙永好教授團隊復材頂刊：新工藝！旋轉模鍛+時效大幅提高Cu-Cr復合線材的強度和電導率！

2021-12-20 16:33:18 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：銅鉻復合材料的廣泛應用受到拉伸強度和導電性之間權衡的限制。在這項工作中，我們采用了旋轉模鍛（RS）和后續時效的工業方法，以提高Cu-3.11Cr復合線的強度和導電性組合，并揭示了過程中的微觀結構演變。結果表明，Cu-3.11Cr的基體晶粒在變形過程中得到了明顯細化和拉長，并形成了纖維狀結構。經過等效應變的RS處理后，晶粒的平均直徑已減小至約3.9μm?3.5. 此外，大部分初始微米級的鉻顆粒沿軸向嚴重拉長，起到了增強纖維復合材料的作用，降低了電子的散射效應。此外，在隨后的時效過程中，大量納米Cr顆粒在基體中重新析出。Cu-3.11Cr復合絲經兩段模鍛和時效后，獲得了良好的綜合性能，極限抗拉強度為580mpa，導電率為81.1%IACS（國際退火銅標準）。我們認為，高強度歸因于位錯、晶粒細化、彌散和沉淀以及纖維復合材料強化。時效處理過程中，鉻原子從銅基體中析出，對于在不損失強度的情況下提高導電性至關重要。這些發現可以為高性能銅鉻復合材料的大規模生產提供一些新的見解。

自1964年新干線誕生以來，高速列車在世界上取得了迅速的發展，因為它有效地加速了城市化進程。首先，接觸導線需要提供更多的電流和牽引力，以實現高速鐵路的提速，這將帶來過熱和火花磨損。為了解決這些問題，我們必須提高接觸線的電導率。第二，接觸導線與受電弓之間的高速滑動會產生上下振動的橫波，只有列車的運行速度小于70%的Vc可以保證穩定的工作狀態受電弓與接觸線之間，因此，提高火車的速度，我們必須增加風險，可以實現通過增加T .只有加強接觸線可以允許一個高T,因此，要求接觸線具有高屈服強度。最后，提高運行速度也要求較高的耐磨性。

在實際應用中，銅及銅基合金因其在電導率和力學性能方面的綜合性能優于其他金屬而被用于高速鐵路的接觸導線。四種強化方法中，溶液強化的電導率損失最大，晶粒細化次之，變形強化次之，析出強化次之。Cu-Cr合金作為一種典型的沉淀強化合金，在銅合金中受到了廣泛的關注。Cu-Cr合金是一種典型的共晶合金。因此，通過優化工藝參數可以進一步提高其性能，獲得高強度和高導電性。目前，接觸線的制造工藝為拉絲，對材料[20]的塑性有很高的要求。當材料的塑性不足以支撐進一步拉深變形時，就會發生應力集中和斷裂。因此，在拉拔過程中退火不能有效地積累和應用變形強化。而且，拉拔退火生產工藝存在著拉拔速度慢、生產效率低、能耗高、成本高等缺點。

當變形強化使用到極端時，我們必須回到使用沉淀強化來進一步提高Cu合金的強度，即進一步提高Cr含量大于1%。由于Cr在Cu中的固溶性較低（室溫時為0.03 wt%）， Cr相的尺寸和分布對高Cr含量[29]Cu - Cr復合材料的性能有顯著影響。Cr相的粗化和聚集往往導致Cu-Cr復合材料性能較差。為了獲得均勻分散的Cr顆粒，采用熔融紡絲、機械合金化和飛濺淬火等方法制備了Cu-Cr復合材料。然而，這些技術通常是復雜的，不適合工業大規模生產。

考慮的影響強度和導電性的RS Cu-Cr復合材料與高鉻含量沒有詳細研究，因此，在這個工作中，南京理工大學納米異構材料中心團隊趙永好教授團隊取得了重要進展，在復材領域國際一區頂級期刊《Composites Part B:engineering》上在線發表了題為“Enhancing strength and electrical conductivity of Cu–Cr composite wire by two-stage rotary swaging and aging treatments”的學術論文。選擇Cu-Cr復合材料作為模型材料，利用RS技術細化微觀組織和優化Cr相尺寸和分布。通過RS變形結合兩階段時效處理，復合材料的綜合力學性能和電學性能得到了顯著提高。此外，還對提高Cu-Cr復合材料的強度和電導率的內在機理進行了詳細的討論。

趙永好教授的團隊發現，Cu-3.11Cr復合材料體晶粒在模鍛變形過程中徑向細化顯著，軸向拉長，形成纖維狀組織。在等效應變~3.5 的 RS 處理后，徑向晶粒的平均直徑已減小至約 3.9 μm。大多數微米級的鉻顆粒沿變形方向被拉長并相互連接形成長纖維。此外，在最終時效過程中，大量納米尺寸的 Cr 顆粒在基體中重新沉淀。

Cu-3.11Cr 復合材料實現了580 MPa的極限拉伸強度和 81.1% IACS 的電導率的良好結合。經過最終時效處理后，合金的導電性顯著提高，強度沒有損失。Cu-3.11Cr復合材料的高強度歸因于位錯、晶粒細化、彌散和析出以及纖維復合強化的貢獻，從大到小依次為：彌散和析出強化（226.6 MPa）>位錯強化（ 211 MPa） > 晶粒細化強化（70.9 MPa） > Cr 纖維復合強化（40 MPa）。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109567

圖1所示。旋轉模壓原理示意圖。（a） RS總體圖，（b）截面圖，（c）圓棒工件應力狀態。1 -鍛錘，2 -主軸，3 -滾柱，4 -鍛模，5 -工件。

圖2所示。拉伸試樣幾何尺寸，單位：mm。

圖3所示。（a-c） Cu-3.11Cr合金經均勻化和固溶處理后的SEM圖像，（d, e）（c）中Cr相的EDS映射分析。黃色箭頭指向一些粗大的樹枝狀析出物，尺寸約為2-5 μm。

圖4所示。PRS樣品（a, b）和PA樣品（C, d）在500°C時效60min后的Cr相分布。箭頭指向鍛壓方向。

圖5所示。最終模壓后的FRS樣品（a, b）和500℃時效30 min后的FA樣品（C, d）中Cr相的分布。箭頭指向模壓方向。

圖6所示。在500°C時效30 min后FA樣品中納米Cr相的TEM圖像。

圖7所示。EBSD表征不同處理后Cu-3.11Cr復合材料徑向（b1-e1）和縱向（b2-e2）的基體晶粒及相應的晶粒尺寸分布：（a） ST試樣；（b1 b2） PRS樣本；（c1-c2） PA樣品在500°C時效60 min;（d1-d2） FRS樣本；（e1-e2） 500°C時效30 min FA樣品，圖中黑線表示偏差角大于15°。

圖8所示。不同處理條件下Cu-3.11Cr復合材料徑向晶粒尺寸及偏角直方圖：（a） ST和（b） FA的晶粒尺寸；（c） PRS樣品偏角；（d） PA樣品在500℃下時效60 min;（e） FRS樣本；（f） 500°C時效30 min的FA樣品。

圖9所示。（a）不同處理后Cu-3.11Cr復合材料縱斷面的XRD譜圖，（b）（a）中明顯的{220}峰的放大圖。

圖10所示。TEM圖像和選定區域的電子衍射圖顯示了FRS樣品中的納米孿晶。

圖11所示。PA處理后PRS Cu-Cr復合材料的性能：（a）老化60 min后的顯微硬度和電導率隨溫度的變化；（b） ST、PRS和PA試樣在500℃時效60 min的拉伸曲線。

圖12所示。不同時效處理后FRS Cu-Cr復合材料的性能：（a, b）不同時效溫度下的顯微硬度和電導率隨時效時間的變化；（c）不同溫度和條件下FRS和FA試樣的工程拉應力-應變曲線。

圖13所示。Cu-Cr復合材料在模壓和時效過程中的組織演變示意圖：（a） ST試樣中粗晶粒和微米級Cr;（b） PRS樣品中晶粒細化、伸長，形成大量lagb;（c） PA樣品中形成的納米Cr顆粒；（d） FRS樣品中晶粒進一步細化和拉長；（e）納米Cr粒子在FA樣品中的再沉淀。

圖14所示。研究了不同處理后Cu-3.11Cr復合材料的晶粒尺寸、位錯密度、晶格參數和低角晶界（LAGBs）含量。

圖15所示。（a）不同處理后Cu-3.11Cr復合材料的極限抗拉強度和斷裂延伸率。（b） Cu-Cr復合材料中不同強化機制對FA試樣500℃時效30 min的貢獻。Exp.和Cal.分別代表實驗結果和計算結果。

圖16所示。（a） 5種Cu-3.11 cr復合材料的晶格參數和電導率；（b）對報道的Cu基合金[[17]，[18]，[19]，[51]，[52]，[53]，[54]，[55]，[56]，[57]，[58]，[59]，[60]]電導率與極限抗拉強度關系的文獻綜述。低Cr（小于1%）的Cu-Cr合金屬于Cu-Cr - zr - x系列，高Cr（大于10%）合金分別屬于Cu-Cr系列。

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