纳米孪晶结构时效强化高强高导CuCrZr合金的制备及强化机制研究

High strength and high electrical conductivity are mutually exclusive in metallic materials. Nearly all the strengthening mechanisms induce significant degradation of the electrical conductivities. Nanotwins are found to be favor microstructures which can effectively strengthen the metals while keep high electrical conductivity by the benefit of the special boundary structures. This project intends to obtain nanotwins/nanograins in CuCrZr alloys with the technique of cryogenic dynamic plastic deformation under high strain rate and low temperature, achieve both the high strength and high electrical conductivity via appropriate aging treatments, and investigate the relationship between nanostructures and aging behaviors by combing the aging behaviors and the microstructures of the alloys. Details of the projects contain: 1) the preparation of nanostructured CuCrZr alloys with different volume fraction of nanotwins with plastic deformations under different strain rate at temperatures varying from liquid nitrogen temperature to room temperature; 2) systematical characterizations of the nanostructured CuCrZr alloys under typical aging states and investigations of the relationship between the nanostructures and aging behaviors; 3) providing of practical methods to obtain high strength and high electrical conductivity in CuCrZr alloys with combination of nanostructures and aging hardening. The results achieved in this projects are expected to be helpful for understanding and developing new high strength high conductivity copper alloys, and furthermore, other precipitation hardening alloys with nanostructures like nanotwins.

金属材料的强度和导电性通常呈倒置关系。现有强化机制通常会导致电导率明显下降。特殊的界面结构使高密度纳米孪晶成为一种使电导率损失较少的有效强化铜及其合金的结构。本项目拟采用低温动态塑性变形方法，在CuCrZr合金中引入纳米孪晶/纳米晶结构，通过合适的时效处理制度，同时获得高强度和高电导率。通过定量表征其时效状态下的显微结构，研究纳米孪晶/纳米晶的时效行为，揭示纳米结构尤其是纳米孪晶结构对CuCrZr时效行为的影响规律和机理。主要内容包括：1）高强度高电导率纳米孪晶/纳米晶CuCrZr时效强化型合金的制备；2）纳米结构CuCrZr合金的时效行为和纳米孪晶/纳米晶对时效行为影响机理；3）以CuCrZr为代表的时效强化型铜合金通过结构纳米化和时效强化提高强度-电导率综合性能的方法。该项目将为理解复相合金变形孪生结构强化机制提供实验和理论依据，为高强度高电导率沉淀强化合金的开发提供技术支持。

金属材料的强度和导电性通常呈倒置关系，主要原因是高密度缺陷在强化材料的同时，也会带来电阻率的显著升高。其中固溶元素和晶界带来的电阻率升高尤为显著。本项目通过引入高密度孪晶界将CuCrZr合金的结构尺寸降低至100nm以内，有效提高了合金的强度。由于孪晶界的界面能比普通大角晶界低一个数量级，这种纳米孪晶结构合金电阻率升高有限。利用纳米结构的高界面密度，基体中固溶Cr元素以纳米沉淀相的形式析出。一方面在纳米结构强化基础上叠加沉淀强化，进一步提高强度。另一方面有效降低了合金基体中固溶Cr含量，可以获得高电导率。该CuCrZr合金在获得600-780MPa级别强度的同时，可保持70-78%IACS的高电导率。纳米孪晶界和纳米晶界上析出的纳米尺寸Cr沉淀相有效地降低了体系能量，钉扎界面，显著改善了纳米结构Cu基体的热稳定性。在350-400℃退火40小时后，合金仍能保持变形态的高强度。.研究发现相比纳米晶和超细晶，高密度共格孪晶界上析出的Cr颗粒尺寸更小，密度更高。孪晶界的共格特点延缓了Cr快速扩散导致的Cr颗粒粗化。350℃时，Cr在纳米孪晶/纳米晶混合结构Cu基体上快速形核，孕育期短。但由于扩散控制，纳米相长大速度有限。这种纳米结构CuCrZr合金在350-400℃时峰时效硬度可保持20小时。由于纳米孪晶结构的高稳定性和纳米相的钉扎，基体纳米结构可保持至40小时以上。研究发现超溶限设计的Cu-1Cr-0.1Zr合金中，先析出的亚微米尺寸Cr颗粒对合金的变形孪生行为有抑制作用。.这种利用纳米结构和纳米尺寸沉淀相复合强化的方法，在CuCrZr系、CuTi系和CuAg系合金中都得到了验证。相应合金强度和电导率综合性能，均优于现有文献报道其他方法。该方法解决了难以通过引入极大塑性变形量实现晶粒细化的问题。解决了通过极大塑性变形量引入亚微米晶/纳米晶强化后，高密度普通大角晶界导致电导率显著下降的问题。解决了通过极大塑性变形量细化合金基体结构导致的热稳定性下降的问题。该方法可以很容易推广至现有沉淀强化导电铜合金体系，也可以推广至其他沉淀强化合金体系。