Cu―Zr和Cu―Ag―Zr合金的高温拉伸性能研究

【摘要】CuAgZr合金热处理后时效态显微组织中存在典型的退火孪晶组织，孪晶带两侧互相平行的孪晶界属于共格关系，由（111）组成。晶界较CuZr合金平直，晶粒直径约为60μm～80μm，晶粒尺寸小...

【摘 要】 研究了cu-0.2%zr合金和cu-3%ag-0.5%zr合金的高温拉伸性能。材料热处理工艺为：固溶920℃×lh，水冷；纵向冷变形30%；时效450℃×3h，空冷，试验温度500℃。结果表明，CuAgZr合金组织均匀性高于CuZr合金，CuAgZr合金抗拉强度和屈服强度均比CuZr合金高出50MPa～60MPa，结果符合Hall-Petch关系。两种合金的高温拉伸断裂方式均为沿晶韧性断裂，CuZr合金比CuAgZr合金具有更好的塑性。

【关键词】 Cu-0.2Zr合金 Cu-3Ag-0.5Zr合金 高温拉伸 韧性断裂

铜具有优良的导热性、导电性、耐蚀性等特性，被广泛应用于各行业[1]。大量研究结果表明，微量Zr的加入可以提高铜的强度、软化温度和耐磨性[2]，Ag的加入可以提高铜的软化温度、高温强度，且Ag可以促进Zr的析出。目前两种材料在航天领域的应用愈来愈多，因此研究材料的高温性能，逐步建立自主的材料知识体系已迫在眉睫。本文对热处理后的Cu-Zr和Cu-Ag-Zr合金进行了高温拉伸试验，探讨了组织对两种材料高温拉伸性能的影响，希望通过本试验为后续研究材料的高温力学性能提供一些理论依据及研究基础。

1 合金热处理组织

CuZr合金热处理后时效态组织存在不均匀性，晶界比较杂乱，晶粒直径约为100μm～120μm。基体中存在许多黑点，为析出的颗粒状第二相质点，大小相同。通过能谱分析确定其元素为Cu和Zr，Cu元素质量百分比为55.05%，Zr元素质量百分比为44.95%。造成这一结果的原因可能为：CuZr合金在凝固过程中发生过共晶反应（0.2%Zr在相图上为过共晶点），当0.2%Zr成分的CuZr合金自液相凝固过程中，冷却到CD线以下温度时，将产生铜锆化合物，在室温下材料中存在α相以及少量的铜锆化合物相。温度的因素使得原本存在于基体中的铜锆化合物在固溶阶段未完全溶解，在基体中残留下来。粗大的铜锆粒子会降低合金的韧性和导电性[3]，人们已努力尝试在熔铸及固溶过程中尽量避免，但目前为止仍没有找到根除的有效方法。

CuAgZr合金热处理后时效态显微组织中存在典型的退火孪晶组织，孪晶带两侧互相平行的孪晶界属于共格关系，由（111）组成。晶界较CuZr合金平直，晶粒直径约为60μm～80μm，晶粒尺寸小于CuZr合金。CuAgZr材料热处理后基体组织中存在细小的初生相，其元素组成为Cu、Ag和Zr。

2 合金高温拉伸力学性能

将CuZr和CuAgZr合金的高温拉伸试样在773K温度、应变速率为5mm/min的参数下进行拉伸。CuAgZr合金试样其抗拉强度和屈服强度比CuZr合金试样要高出50～60MPa。对于面心立方的多晶体合金，晶粒度对屈服强度有显著的影响。本试验两种合金经过固溶-时效处理后，CuAgZr晶粒尺寸小于CuZr合金晶粒，表现出晶粒尺寸越小其高温拉伸强度和屈服强度越高的特征，结果符合Hall-Petch关系。

试验中应变速率的提高会使延伸率及断面收缩率增加，但对断面收缩率的影响要比对延伸率的影响小的多，因而采用断面收缩率作为高温拉伸试验的塑性性能指标比采用延伸率为佳。CuZr合金高温断面收缩率为83.9%，CuAgZr合金高温断面收缩率为50.9%，CuZr合金比CuAgZr合金高出64.8%，表现出较好的塑性。

3 合金高温拉伸断口分析

CuZr、CuAgZr合金试样在T=500℃的高温拉伸断口从宏观上看，CuZr合金高温拉伸断口部分有明显的氧化痕迹，断口呈杯锥状，无明显放射区，而且颈缩现象非常明显。断口表面凹凸不平，存在较多孔洞。从微观上看，断口中部分布着大量韧窝，韧窝大小不一。CuAgZr合金宏观断口断面较大，为典型的杯锥状断口，由纤维区和剪切唇区组成，颈缩现象没有CuZr合金明显，剪切唇表面较光滑，与拉伸轴呈45度左右的夹角，微观断口处韧窝大小基本相同，为等轴状韧窝，且韧窝大小比CuZr合金小的多。在韧窝底部都能看到第二相质点的存在，而且CuZr合金韧窝壁上可见蛇形的滑移线，两种合金均为沿晶韧性断裂。

韧窝特征的形成机理为空洞聚集，首先在材料内部分离形成空洞，在滑移的作用下空洞逐渐长大并和其他空洞连接在一起就形成了韧窝断口。通常，塑性越差的材料越难以发生颈缩，将生成更多的显微空洞或通过剪切断裂而连接，因此导致韧窝变小，变浅。通过对比两种合金的高温拉伸断口，也表现出同样的特征。

4 结语

（1）两种合金经过热处理后，CuZr合金基体中存在颗粒状第二相质点，出现这一现象的原因可能是材料从液相凝固到室温后，基体中已经存在铜锆化合物相，在固溶阶段由于温度因素使得铜锆化合物未完全溶解而在基体中残留下来。固溶-时效后，CuAgZr合金晶粒度尺寸小于CuZr合金。

（2）在T=500℃下，CuAgZr合金抗拉强度和屈服强度均比CuZr合金高出50MPa～60MPa，结果符合Hall-Petch关系。

（3）两种合金的高温拉伸断裂方式均为沿晶韧性断裂，且韧窝处存在第二相粒子。韧窝尺寸较小、深度较浅的CuAgZr合金抗拉强度较大。CuZr合金比CuAgZr合金具有更好的塑性。

参考文献：

[1]麻向骏，王伟民.导电铜合金强化的研究现状[J].机械研究与应用，1998，1：48.

[2]贾淑果，刘平，郑茂盛，等.微量Zr对Cu-Ag合金力学性能的影响[J].功能材料，2007，38：494-496

[3]宋练鹏，孙伟，尹志民.Ag和Zr对Cu-Ag-Zr合金组织能性能的影响[J].2006.