集束拉拔制备铜铌微观复合导线的强化机制研究

The Cu/Nb high-strength nanocomposite wire reinforced with Nb nano-filaments is one of the excellent materials in the field due to their good electrical conductivity and high strength. In addition, The Cu-Nb wires show noticeably better mechanical properties than that calculated by rule-of-mixture (ROM) predictions when the size of the Nb filaments is reduced to the sub-micrometer range. It is important to study the strengthen mechanism to improve the properties of the wire. This proposal will use SEM, EBSD, XRD, TEM, HRTEM, HAADF-STEM, tensile test and nanoindentation to study systematically the microstructure evolution of Cu/Nb nanocomposite during accumulative drawing and bundling process, the influence of the microstructure and property of Cu matrix to the properties of the wire, the interaction between Nb filaments and Cu matrix and the fcc/bcc interface of niobium and copper, to develop the strengthen mechanism of Cu/Nb nanocomposite wire and establish the strengthen model.

铜铌微观复合导线兼顾了高强度和良好导电性，在芯丝达到纳米级别时，其强度远大于混合定律计算的理论值。因此，对铜铌复合导线强化机制的研究对于进一步提高导线综合性能，乃至加深人们对金属变形与强韧化机制的认识都有重要意义。本项目拟选取集束拉拔技术制备的铜铌微观复合导线为研究对象，综合利用SEM，EBSD，XRD，TEM，HRTEM，HAADF-STEM，拉伸试验，纳米压痕等先进表征和测试手段，系统研究集束拉拔过程中的微观组织结构演变及其对性能的影响，铜基体的组织结构对复合线材性能的影响，铌芯丝与铜基体的相互作用、界面效应及其对整体线材力学行为的影响，综合考虑多个强化影响因素，确定集束拉拔制备的铜铌微观复合导线的强化机制并建立相关理论模型，为进一步提高铜铌微观复合导线的综合性能，从而满足强磁场需求提供理论基础。

本项目选用集束拉拔工艺制备的Cu-Nb复合材料，利用ECC，EBSD，TEM及XRD等多种表征手段系统地研究其微观组织和力学性能，着重分析了拉拔过程尺度效应及界面效应对线材力学性能的影响，建立了强度与显微组织尺寸的定量联系，揭示了界面和尺寸效应是线材拉拔形变过程的高强高导性能的关键因素，强调了界面的强化作用。.本论文主要研究结果如下：.（1）在拉拔形变过程中，Nb相最终形成卷曲状形貌，这种现象与Nb本身立方晶体（BCC）结构特征及Cu-Nb异相界面的存在相关。.（2）拉拔线材内主要形成了平行于拉拔方向的<111>Cu//<110>Nb丝织构取向关系。.（3）界面密度是影响复合线材导电性及力学性能的关键因素。它通过Nb相形貌的改变影响线材性能：在拉拔应变量较小时，Nb相未发生卷曲，界面密度较低，此时显微硬度值较小；而当拉拔应变量较高时，Nb相发生了卷曲并导致了界面密度的急剧增大，进而提高线材强度。.（4）Cu-Nb复合线材尺度及界面效应导致传统的Hall-Petch关系式不能完全解释复合线材的强化。本文提出了界面密度估算数学模型，引入综合性显微结构尺度参数（d+at和Sv）作为主要自变量，对传统Hall-Petch公式进行分析阐述，建立起材料强度（硬度）与显微结构间的定量联系。分析认为影响Cu-Nb复合线材强度的主要因素有界面强化，固溶强化及宏观Cu-Nb复合材料的加工硬化。