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cu-al-ni合金在热机械处理中的力学性能和微观组织演变

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Cu-Al-Ni合金在热机械处理中的力学性能和微观组织演变

作者：郭云龙中北大学

学位级别：硕士

铜及铜合金广泛用于引线框架材料、铁路接触线、电连接器、传热元件等电子电气工业中,研究高性能铜合金材料的制备工艺对我国的国民经济和国防军工建设具有重要的作用。cu-al-ni合金作为一种低层错能析出强化型铜合金,研究其在变形和时... 详细信息

铜及铜合金广泛用于引线框架材料、铁路接触线、电连接器、传热元件等电子电气工业中,研究高性能铜合金材料的制备工艺对我国的国民经济和国防军工建设具有重要的作用。cu-al-ni合金作为一种低层错能析出强化型铜合金,研究其在变形和时效过程中的组织和力学性能演变规律对此类铜合金的开发工艺非常具有代表性和指导意义。本文通过合金化法设计制备了cu-5.0wt%al-3.0wt%ni和cu-7.5wt%al-3.0wt%ni合金,通过对cu-al-ni合金的再结晶行为、SHPB变形和时效以及二级变形时效过程中的力学性能和微观组织演变的研究,成功地改善了合金试样的强度和塑性匹配,同时,利用PFC方法模拟了孪晶在变形过程中的形成与消失机理。并对其电化学腐蚀性能进行了研究,得到了以下结论:(1)cu-al-ni合金经过变形量为70%的室温单向轧制后,其最佳的再结晶退火工艺为700℃退火2h。再结晶后的合金经过SHPB变形后,大量胞状亚结构和变形孪晶的形成极大地提高了合金的强度,在350℃时效1h后,组织中生成了大量无畸变再结晶晶粒和退火孪晶,并有大量纳米级第二相颗粒析出。合金的强度、硬度在时效中随着温度的升高展现出先增后减的变化趋势,而延性则持续提高。在350℃下保温1h后获得了最高的强度797.06MPa和较好的延伸率19.25%,其电导率为13.86%IACS。(2)时效过程中,析出的纳米级沉淀相颗粒阻碍了位错恢复和再结晶,提高了合金的热稳定性,使变形后的合金在350℃下保温1小时后才开始软化出现强度和硬度的降低,原因在于ni元素的添加在合金中引入了沉淀相ni al和nial颗粒。(3)利用PFC方法定性地阐明了孪晶界的形成与消失机制。晶界的形成是因大量位错对的叠加造成的,外加应力作用使得原始晶界破碎,形成小角度的亚晶结构。通过晶界与位错交互,包括位错攀滑移、位错分解、增值与湮没,晶界位错重新分布,亚晶在迁移过程中形成大角晶界,最终形成了完整的晶粒。(4)cu-al-ni合金在3.5%Na Cl溶液中腐蚀后生成了双层结构的腐蚀产物,由外层的白色絮状cu(OH)Cl和内层致密的呈黑色的以cuO为主的氧化物构成,其中内层氧化物致密的结构对材料起到了钝化保护作用。(5)cu-al-ni合金试样在多级变形和退火后在保持高强度的前提下,塑性得到了很好的改善,其改善可归因于多级时效变形调节了合金的变形强化和沉淀强化。最终在综合工艺为单向冷轧80%后350℃保温60min,然后冷轧50%后350℃下时效15min时,cu-7.5al-3ni合金试样获得了最佳的强度和塑性匹配,其强度可达774.35MPa,延伸率为5.29%。

关键词： cu-al-ni合金分离式霍普金森压杆孪晶纳米级析出相多级变形时效

多级变形时效对cu-al-ni合金微观组织和力学性能的影响

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特种铸造及有色合金 2021年第4期41卷 454-457页

作者：郭云龙赵宇宏杨晓敏顾涛徐凤强武立侯华中北大学材料科学与工程学院

采用热机械处理方法,针对经两次变形时效的低层错能cu-al-ni合金的微观组织和力学性能演变进行了研究。在综合工艺为单向冷轧80%后在350℃下保温60min,然后冷轧50%,最后在350℃下时效15min时,合金试样获得了最佳的强度和塑性匹配,其强... 详细信息

采用热机械处理方法,针对经两次变形时效的低层错能cu-al-ni合金的微观组织和力学性能演变进行了研究。在综合工艺为单向冷轧80%后在350℃下保温60min,然后冷轧50%,最后在350℃下时效15min时,合金试样获得了最佳的强度和塑性匹配,其强度可达774.35MPa,伸长率为5.29%,其强化可以归因于形变强化和析出强化。经XRD分析,合金在时效过程中形成了沉淀相nial。退火处理后,合金的伸长率持续增加,经分析这是位错恢复、组织粗化和细小析出物的弥散分布所致。

关键词： cu-al-ni合金冷轧变形时效退火孪晶应变硬化率

超细晶与孪晶结构cu-al-ni合金微观组织及性能研究

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超细晶与孪晶结构Cu-Al-Ni合金微观组织及性能研究

作者：张帅鑫中北大学

学位级别：硕士

铜及铜合金因为其优异的导电导热及延展性被广泛用于集成电路引线框架,新能源汽车电连接器,这些产业的大力发展对铜合金强度和延展性提出了更高的要求,但是强度和延展性天然对立,如何制备高强度高延伸率铜合金已成为长期以来研究者聚焦... 详细信息

铜及铜合金因为其优异的导电导热及延展性被广泛用于集成电路引线框架,新能源汽车电连接器,这些产业的大力发展对铜合金强度和延展性提出了更高的要求,但是强度和延展性天然对立,如何制备高强度高延伸率铜合金已成为长期以来研究者聚焦的一大热点。近年来,研究人员通过在cu-al合金中引入孪晶结构从而制备出高强度高延伸率铜合金。为在传统析出强化铜合金中引入孪晶,本文在cu-7at%al二元合金的基础上,以合金化法设计制备了cu-7at%al-3at%ni和cu-7at%al-6at%ni合金。通过多向锻造与冷轧处理获得超细晶与孪晶结构材料,加以适当的时效处理调控微观组织,引入析出相,以期使cu-al-ni合金强度和延伸率协同提升。主要研究了在冷轧时效处理以及多向锻造时效处理过程中ni含量变化对cu-al-ni合金微观组织及析出相类型的影响,着重以cu-7at%al-3at%ni合金为研究对象,探讨冷轧处理和多向锻造对其微观组织演变以及晶界取向分布变化,得到主要研究结果如下:（1）成分检测与微观结构表明,cu-7at%al,cu-7at%al-3at%ni及cu-7at%al-6at%ni合金,经过多向锻造时效处理和多级冷轧时效处理之后含有大量位错以及亚结构,断口含有大量韧窝,说明均为韧性断裂,材料有良好的延展性。对cu-7at%al-3at%ni和cu-7at%al-6at%ni合金进行成分检测,析出相均为nial相,在本文工艺条件下ni含量的变化并未引起析出相类型的改变。（2）通过对cu-7at%al-3at%ni合金进行TEM表征可知,cu-7at%al-3at%ni合金经过冷轧与多向锻造后,合金内部均含有大量高密度位错以及形成的亚结构和纳米级析出相。此外还观察到片层厚度为30nm左右的形变孪晶,这将对合金的延展性有着良好的作用。比较不同的是可以观察到多向锻造处理的试样中位错密度明显高于冷轧处理的,几乎没有完整的晶粒结构,但是可以在冷轧处理的试样中观察到再结晶晶粒。通过对析出相的选区电子衍射花样标定,合金的析出相均为B2型nial相,通过高分辨图像可以确定在两相边界地方冷轧处理的试样错配度为0.009,nial相与cu基体保持良好的共格关系,而多向锻造处理后的试样计算得到错配度为0.11,nial相与cu基体呈现半共格关系。（3）通过对cu-7at%al-3at%ni合金进行EBSD表征可知,cu-7at%al-3at%ni合金经过多级冷轧时效处理之后含量大量的亚结构和变形组织以及时效过程中发生的再结晶组织。多向锻造时效后只有少量的再结晶组织,仍保留大量亚结构和变形组织。cu-7at%al-3at%ni合金经过冷轧时效之后大角度晶界占比53.5%,平均晶粒尺寸0.65μm,晶粒方向主要集中于{101}面,经过多向锻造时效处理之后大角度晶界占比60%,平均晶粒尺寸0.64μm。对试样进行取向分布函数分析,cu-7at%al-3at%ni合金在经过多级冷轧时效之后,主要存在很强的标准Goss/Brass织构（{110}＜115＞）和较强的A织构（{110}＜111＞）,α-线织构和P织构（{011}＜211＞）,以及较弱的Rotated Goss织构（{110}＜110＞）。cu-7at%al-3at%ni合金在经过多向锻造时效之后,主要存在强的标准Brass织构（{110}＜112＞）和较强的Goss/Brass织构（{110}＜115＞）,较弱的Goss织构（{110}＜100＞）和较弱的Copper-Twin织构（{552}＜115＞）。（4）对冷轧和多向锻造时效处理后的试样进行强化机制定量分析,计算结果表明,对cu-7at%al-3at%ni合金强度贡献最大的是加工硬化和晶界强化,这主要是因为在变形过程中引入大量位错,位错分割晶粒形成细晶。而固溶强化,析出强化对合金强度贡献相对较少,并且变形方式对固溶强化和析出强化影响不大。

关键词： cu-al-ni合金多向锻造超细晶形变孪晶 nial析出相

塑性变形与时效处理协同调控cu-al-ni系合金组织与性能

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塑性变形与时效处理协同调控Cu-Al-Ni系合金组织与性能

作者：施宇聪中北大学

学位级别：硕士

高强铜合金因为其优异的力学性能和耐磨耐腐蚀性能被广泛用于制造机械轴承、轴瓦、散热器部件中,这类合金的抗拉强度可以达到800-1300MPa,但延伸率往往低于5%,这极大地限制了高强铜合金的进一步应用。众所周知,材料强度与塑性之间存在... 详细信息

高强铜合金因为其优异的力学性能和耐磨耐腐蚀性能被广泛用于制造机械轴承、轴瓦、散热器部件中,这类合金的抗拉强度可以达到800-1300MPa,但延伸率往往低于5%,这极大地限制了高强铜合金的进一步应用。众所周知,材料强度与塑性之间存在固有的矛盾,在提高材料强度的同时保证材料具备良好韧性是材料领域研究者一直追逐的目标。近年来,研究发现在中低层错能cu-al合金中引入孪晶,可使得材料的强度和韧性同步提高,这为开发强度和延展性兼备的材料提供了良好的借鉴。为此,本文在cu-al中低层错能合金的基础上,添加ni元素,设计开发出cu-5.0at.%al-3.0at.%ni、cu-11.0at.%al-3.0at.%ni和cu-16.0at.%al-3.0at.%ni合金。通过动态塑性变形法与冷轧处理获得纳米孪晶结构材料,并通过适当的时效处理调控微观组织,改变析出相的形貌、尺寸和分布,以期使cu-al-ni合金强度和延伸率同步提升。本文主要研究了在多级冷轧时效处理以及动态塑性变形+时效处理过程中al含量变化对cu-al-ni合金微观组织及析出相类型的影响,着重以cu-11al-3ni合金为研究对象,探讨冷轧处理和动态塑性变形对其微观组织演变以及晶界取向分布变化,得到主要研究结果如下:（1）多级冷轧时效处理后的试样,cu-5.0at.%al-3.0at.%ni、cu-11.0at.%al-3.0at.%ni和cu-16.0at.%al-3.0at.%ni合金抗拉强度分别为607MPa、940MPa和1200MPa,延伸率分别为7.7%、6.8%和10.2%。动态塑性变形以及时效处理的cu-5.0at.%al-3.0at.%ni和cu-11.0at.%al-3.0at.%ni合金抗拉强度分别为624MPa和910MPa,延伸率分别为9.3%和10.9%。（2）通过分别对多级冷轧时效与动态塑性变形时效后的cu-11.0at.%al-3.0at.%ni合金TEM分析,发现两种合金微观组织均由高密度位错、位错结构转换而来的各种亚结构、纳米级析出相以及高密度孪晶片层组成。对比两种变形方式获得的孪晶片层厚度,发现多级冷轧变形时效后的孪晶片层厚度约为64nm,动态塑性变形时效后的孪晶片层厚度约14nm,动态塑性变形时效后的孪晶片层厚度更加细小,细小的孪晶这有利于合金延展性提升。对于位错密度而言,动态塑性变形后位错密度低于冷轧处理后的试样。对析出相的衍射花样标定结果表明,两种变形时效后获得析出相均为B2型ni al相,并且通过高分辨图像可以确定析出相与基体之间的错配度为0.1696,ni al相与cu基体保持半共格关系。（3）采用EBSD对经过多级冷轧时效之后的cu-5.0at.%al-3.0at.%ni、cu-11.0at.%al-3.0at.%ni和cu-16.0at.%al-3.0at.%ni合金进行分析,研究不同al含量对变形的影响规律。研究结果表明,随着al含量提升,合金的小角度晶界比例逐渐提升,从54.7%增加到66.1%。同时发现晶粒尺寸随al含量的增加得到了细化,由4.2μm逐渐下降到3.7μm。另外,还发现al含量的提升对孪晶界含量没有明显影响,三种合金的孪晶界数量基本都保持在1%-2%之间,而对于经过动态塑性变形时效处理之后的三种合金进行分析,结果表明,随着al含量增加,小角度晶界含量逐渐减少,从58.7%降低到了40.1%。孪晶界含量逐步提升,从1.8%提升到了9.7%,而晶粒尺寸从3.6μm提升到了4.1μm。将cu-5.0at.%al-3.0at.%ni、cu-11.0at.%al-3.0at.%ni合金以及多级冷轧变形后的cu-11.0at.%al-3.0at.%ni合金进行取向分布函数分析,研究发现,随着al含量的增加以及应变速率的增加,合金的主要织构从很强的标准Goss/Brass织构（{110}＜115＞）和S织构（{123}＜634＞）,转化为标准Brass织构（{110}＜112＞）。这说明Brass织构的强度与合金中孪晶含量相关,Brass织构的含量越高,合金内部的孪晶含量倾向于更高。（4）对冷轧和动态塑性变形时效处理后的cu-11.0at.%al-3.0at.%ni试样进行强化机制分析,结果表明其高强度均主要归因于位错强化,细晶强化和孪晶强化析出强化。多级冷轧时效cu-11.0at.%al-3.0at.%ni屈服强度为642.27MPa,其中位错强化为356.14MPa,孪晶强化为29.89MPa,晶界强化为221.9MPa,析出强化为2.84MPa,固溶强化为31.5MPa。动态塑性变形时效处理的cu-11.0at.%al-3.0at.%ni试样屈服强度为766.47MPa,其中位错强化为197.55MPa,孪晶强化

关键词： cu-al-ni合金动态塑性变形织构形变孪晶 nial析出相

cu-al-ni形状记忆合金马氏体逆相变的相场模拟研究

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特种铸造及有色合金 2024年第2期44卷 245-250页

作者：王丽红满蛟周建平新疆大学机械工程学院乌鲁木齐830000

通过建立两个马氏体变体的三维相场模型,对cu-al-ni形状记忆合金外加载荷下的马氏体逆相变进行了模拟和预测,验证了外加载荷对弹性应变能的作用,探究了外加载荷对马氏体逆相变的影响。结果显示,在cu-al-ni形状记忆合金中,拉伸和压缩载... 详细信息

通过建立两个马氏体变体的三维相场模型,对cu-al-ni形状记忆合金外加载荷下的马氏体逆相变进行了模拟和预测,验证了外加载荷对弹性应变能的作用,探究了外加载荷对马氏体逆相变的影响。结果显示,在cu-al-ni形状记忆合金中,拉伸和压缩载荷均会阻碍马氏体逆相变的进程,原因是拉伸和压缩载荷会释放储存在马氏体相变中的弹性应变能。通过相场模拟计算,发现压缩载荷对弹性应变能的释放作用优于拉伸载荷。

关键词：相场模拟马氏体逆相变 cu-al-ni合金弹性应变能

热型连铸制备cu-al-ni形状记忆合金力学性能研究

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热加工工艺 2007年第9期36卷 17-20页

作者：杨少锋曹玉梅许广济张穗萌皖西学院数理系安徽六安237012 六安工程咨询院安徽六安2370123 兰州理工大学甘肃兰州730050

在自制的水平热型连铸设备(OCC)上,采用一定的工艺参数,制备出表面呈镜面,内部组织沿轴向定向排列的柱状组织cu-al-ni形状记忆合金。其与金属型、定向凝固生产的样品相比,屈服强度、伸长率有一定的提高,伸长率可达12.8%。

关键词：热型连铸工艺 cu-al-ni合金形状记忆合金柱状组织力学性能

添加铁元素对cu-10al-4ni粉末冶金合金组织和性能的影响

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机械工程材料 2023年第8期47卷 18-22页

作者：寿德荣邓正华(指导) 张朝阳重庆三峡学院机械工程学院重庆404000 重庆三峡学院重庆市轻合金材料与加工工程技术研究中心重庆404000

以铜粉、铝粉、镍粉和铜包铁粉为原料,采用粉末冶金工艺制备含不同质量分数(0,1.6%,3.2%,4.8%,6.4%)铁元素的cu-10al-4ni合金,研究了铁含量对合金显微组织和性能的影响。结果表明:未添加铁元素的合金组织由κ_(Ⅲ)相、α相和al_(4)cu_(9... 详细信息

以铜粉、铝粉、镍粉和铜包铁粉为原料,采用粉末冶金工艺制备含不同质量分数(0,1.6%,3.2%,4.8%,6.4%)铁元素的cu-10al-4ni合金,研究了铁含量对合金显微组织和性能的影响。结果表明:未添加铁元素的合金组织由κ_(Ⅲ)相、α相和al_(4)cu_(9)相组成;当添加质量分数1.6%的铁元素后,合金中的κⅢ相增多,al_(4)cu_(9)相减少;当铁元素质量分数达到3.2%时,al_(4)cu_(9)相进一步减少,合金中析出κ_(Ⅰ)相和κ_(Ⅱ)相;随着铁含量继续增加,al_(4)cu_(9)相消失,κ_(Ⅰ)相增多,而κ_(Ⅲ)相开始减少。随着铁含量的增加,合金的烧结密度减小,硬度先降低后增加再降低,当铁质量分数达到3.2%时硬度最大;合金的屈服强度随铁含量增加呈波动变化,当铁质量分数达到4.8%时屈服强度最大。

关键词：粉末冶金 cu-al-ni合金铜包铁显微组织屈服强度

cu-al-ni形状记忆合金中马氏体孪晶界面迁移的分子动力学模拟

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Cu-Al-Ni形状记忆合金中马氏体孪晶界面迁移的分子动力学模拟

作者：魏洪吉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

马氏体相变广泛应用于现代工业生产的诸多领域,其中形状记忆效应为近年来研究与应用的热点。本文所研究的cu-al-ni合金能够产生形状记忆效应正是由于发生了马氏体相变与逆相变过程。在相变过程中一种基本的物理过程就是界面在内部和外... 详细信息

马氏体相变广泛应用于现代工业生产的诸多领域,其中形状记忆效应为近年来研究与应用的热点。本文所研究的cu-al-ni合金能够产生形状记忆效应正是由于发生了马氏体相变与逆相变过程。在相变过程中一种基本的物理过程就是界面在内部和外部的化学和机械驱动力下发生迁移,发生迁移的界面包括相界面和马氏体内部变体间的孪晶界面。本文以马氏体相变中界面推进的动力学机制为研究背景,应用分子动力学手段对cu-al-ni形状记忆合金中的马氏体相变进行动力学模拟,旨在探明在温度或应力载荷作用下,孪晶界面的原子迁移情况。论文首先介绍了马氏体相变与分子动力学相关知识与研究现状。然后在筛选函数和复杂参考结构两点上发展了原始的修正嵌入原子方法。并在此基础上给出了适用于cu-al-ni三元合金体系的势函数参数。最后构建了初始模拟体系,并在温度与应力循环载荷下具体模拟了该合金的马氏体相变。我们成功地观察到了cu-al-ni合金的热弹性马氏体相变,及单向拉伸中的相变伪弹性现象。模拟还给出了热相变滞后和应力诱发相变滞后,这种滞后被证实与马氏体相变和逆相变时内部马氏体变体间的吞并及界面的迁移紧密相关。

关键词： cu-al-ni合金马氏体相变马氏体孪晶分子动力学 MEAM

cu-al-ni基高温形状记忆合金结构与性能研究

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Cu-Al-Ni基高温形状记忆合金结构与性能研究

作者：张鑫天津理工大学

学位级别：硕士

cu-al-ni形状记忆合金因其成本低廉、相变温度范围广、易加工及优良的单晶超弹性和形状记忆效应等优点被人们广泛研究。但是多晶cu-al-ni因其晶粒粗大、各项异性因子高、脆性大、热稳定性差等缺点而被严重限制了发展和应用。本文以cu-12... 详细信息

cu-al-ni形状记忆合金因其成本低廉、相变温度范围广、易加工及优良的单晶超弹性和形状记忆效应等优点被人们广泛研究。但是多晶cu-al-ni因其晶粒粗大、各项异性因子高、脆性大、热稳定性差等缺点而被严重限制了发展和应用。本文以cu-12al-4ni高温形状记忆合金作为基体,拟选用Mn元素来改善合金的热稳定性,再选Gd元素改善其力学性能及形状记忆效应。先使用合金化的方法来制备cu-12al-4ni-x Mn合金,通过使用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、差热分析仪、电子式万能试验机及电化学工作站分别对cu-12al-4ni高温形状记忆合金的组织结构、马氏体相变热稳定性、力学性能、形状记忆效应及耐蚀性进行系统研究。组织观察结果表明,Mn元素对合cu-12al-4ni金的晶粒尺寸影响较小,cu-12al-4ni-x Mn合金室温下的显微组织均由2H与18R马氏体变体组成。在Gd元素掺杂后合金的显微组织变为单一的18R马氏体变体,同时基体中有第二相al cuGd出现。Gd元素则明显细化了cu-12al-4ni-1.5Mn合金的晶粒,使其晶粒尺寸从2mm减小一个数量级,达到了200μm。在热循环实验中发现cu-12al-4ni-x Mn合金的相变分两步进行,这是因为其基体中含有2H与18R两种马氏体变体。当x≥1.5时,cu-12al-4ni-x Mn合金表现出了良好的热稳定性优于x合金的热稳定性。在Gd元素掺杂后,cu-12al-4ni-1.5Mn-y Gd合金的相变变为一步相变,同时对热稳定性的影响不大。Mn元素具有固溶强化的作用。随着Mn元素含量的增加,cu-12al-4ni-x Mn合金的压缩断裂强度逐渐升高,在x=2时达到最大值587MPa,其压缩断裂应变则先升高后降低,在x=1.5时达到最大值12.8%。Gd元素由于细晶强化,使cu-12al-4ni-1.5Mn-y Gd合金的力学性能进一步提升,随着Gd元素含量的增加,合金的压缩断裂强度先升高后降低,在y=0.3时达到最大值969MPa,压缩断裂应变则一直升高,在y=1时达到15.3%。在8%预应变下cu-12al-4ni-1.5Mn合金与cu-12al-4ni-1.5Mn-0.3Gd合金的形状记忆效应较好,分别为6.4%和6.6%。此外,Mn和Gd元素添加后均对cu-12al-4ni合金的耐蚀性有轻微损害,其中Gd元素的影响相较于Mn元素更大。

关键词： cu-al-ni合金显微组织热稳定性力学性能形状记忆效应耐蚀性