磁场对形变Cu-Fe原位复合材料组织与性能的影响和机制

高强度高导电铜基材料是电子、信息、交通、能源、冶金、机电等领域不可缺少的关键材料，铜基形变原位复合材料具有超高的强度和良好的电导率，是超高强高导铜基材料的重要发展方向。但对于Cu-Fe形变原位复合材料，由于铸态组织中初生相粗大、宏观偏析严重，固溶于铜基体的Fe原子不易析出，使材料的强度与导电综合性能不高。本项目以Cu-Fe形变原位复合材料制备的科学原理为研究对象，在前期研究的基础上，依据强化与导电理论，提出了"调控凝固组织、增加固溶、促进析出"的研究思路。研究磁场对凝固组织的影响规律及作用机制，实现对Cu-Fe材料凝固组织的调控；研究磁场对时效析出的影响规律及作用机制，利用磁场和时效的协同作用促进Fe从铜基体中有效析出；研究磁场、形变和时效的协同作用下，材料的微观组织、强度和电导率的变化规律，探索科学的磁-热-机械处理工艺，为制备超强高导Cu-Fe原位复合材料提供理论依据。

形变Cu-Fe系原位复合材料由于其铸态组织中初生相粗大、宏观偏析严重，固溶于铜基体的Fe原子不易析出，致使材料的强度、电导率和塑韧性等综合性能不高，限制了其在相关领域的广泛应用。本项目采用CALPHAD技术对Cu-Fe系进行了相平衡热力学计算，实现了材料成分的优化设计。通过研究磁场和Ag微合金化对Cu-Fe合金铸态组织及固溶度的影响规律，发现磁场可促进第二相枝晶的球化，随着磁场强度的增加，第二相枝晶的球化效应更加明显，Fe在Cu基体中的固溶度逐渐减小；发现Ag微合金化可促进固溶Fe原子的析出和Fe相的细化。研究了不同磁场和磁场参数变化对Cu-Fe材料固相线、液相线及液相不混溶间隙区的影响，发现随着磁场强度的增加，材料的固相线和液相线温度均不断上升，液相不混溶间隙区逐渐缩小。通过研究不同磁场和磁场参数变化对Cu-Fe材料时效过程的影响，发现在Cu-Fe合金的热处理过程中施加强磁场，可降低扩散原子的跃迁激活能，提升其克服势垒的能力，使固溶Fe原子的扩散系数增加。通过Ag微合金化、磁场处理、形变、适当预备热处理、中间热处理和最终时效处理的协同作用，对形变Cu-14Fe原位复合材料的强度、电导率和塑性进行了综合调控，形成了一种有效的调控工艺。提出了分段的强化机制物理模型，当冷变形应变量较小时，材料的强度符合修正的混合法则；随着冷变形应变量的增加，材料的强化机制逐渐偏离混合法则，其强度满足Hall-Petch关系；随着冷变形应变量的进一步提高，材料内的位错密度下降，抗拉强度与纤维平均间距之间逐渐偏离Hall-Petch关系，其抗拉强度主要由界面障碍强化模型决定；磁场处理和Ag微合金化使形变Cu-Fe原位复合材料在更低的变形量下满足Hall-Petch关系。提出了修正的界面散射电阻率数学模型；磁场处理和Ag微合金化可进一步促进固溶Fe原子的析出，降低杂质散射电阻率，使复合材料的电导率上升。最终的形变Cu-14Fe-0.1Ag原位复合材料经10T强磁场等时时效1 h可获得的较好强度 / 电导率组合有1149MPa / 60.3 %IACS、1093 MPa / 61.9 %IACS和 1006 MPa / 63.7 %IACS等。