^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.3'26:539.89:539.43
СТРУКТУРА, ПРОЧНОСТЬ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕДНОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Си-Сг, ПОДВЕРГНУТОГО ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ © 2015 г. Р. К. Исламгалиев, К. М. Нестеров, Р. З. Валиев
ФГБОУВПО "Уфимский государственный авиационный технический университет" (УТАТУ),
450000 Уфа, ул. К. Маркса, д. 12
e-mail: kmnesterov@mail.ru Поступила в редакцию 16.10.2013 г.; в окончательном варианте — 26.03.2014 г.
Изучено влияние интенсивной пластической деформации на структуру, прочность и электропроводность медного сплава системы Cu—Cr. В ультрамелкозернистых образцах, полученных методами интенсивной пластической деформации кручением и равноканального углового прессования, определены средний размер зерна и идентифицированы частицы выделений. Проведена оценка зависимости прочности и электропроводности от режимов ИПД и последующей термической обработки. Обнаружен эффект динамического старения в сплаве Cu—Cr, ведущий к одновременному повышению прочности и электропроводности. Показано, что УМЗ-сплав способен демонстрировать сочетание высокого предела прочности (790—845 МПа) и повышенной электропроводности 81-85% IACS.
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, структура, прочность, электропроводность, медный сплав.
Б01: 10.7868/8001532301409006Х
ВВЕДЕНИЕ
Низколегированные медные сплавы системы Си—Сг востребованы в различных областях промышленности в качестве электротехнических материалов [1—3]. Вместе с тем в них существует известная проблема дальнейшего повышения прочности при сохранении высокой электропроводности, которая может быть решена путем измельчения зеренной структуры.
В последние годы для измельчения зеренной структуры в различных металлах и сплавах были использованы методы интенсивной пластической деформации (ИПД), которые базируются на применении больших деформаций сдвигом в условиях высоких давлений и низких гомологических температур [4, 5].
В упрочнении медных сплавов системы Си—Сг важную роль играют также дисперсные частицы, которые выделяются после закалки и старения [6]. Старение в этих сплавах проводят при температурах, значительно превышающих температуру начала интенсивного роста зерен в УМЗ-чистой меди. Вследствие этого, при старении в УМЗ-со-стоянии могут происходить также процессы роста зерен, которые ведут к разупрочнению материала. При этом выделение дисперсных частиц в УМЗ-сплаве может способствовать не только до-
стижению высокопрочного состояния, но и сдерживанию роста зерен при нагреве.
С другой стороны, при достижении высокопрочного состояния в медном сплаве возникает еще одна важная задача, а именно, сохранение повышенной электропроводности.
Как известно, электросопротивление металлических материалов повышается при наличии дефектов кристаллического строения (атомы легирующих элементов, примеси, дислокации, дисперсные частицы, границы зерен, и т.д.) [7—12]. Например, легирование меди хромом до 0.4—1.0 вес. % (сплав БрХ) ведет к снижению электропроводности при комнатной температуре примерно на 16% [1]. Тогда как формирование методом интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) среднего размера зерна 150 нм в чистой меди способствует повышению электросопротивления при 20°С менее чем на 5% [11]. Для сравнения вклад дислокаций в электросопротивление при плотности 1011 см-2 составляет 2.3 х 10-10 Ом м, т.е. величину примерно 1.3% от электросопротивления чистой меди [13, 14]. При концентрации вакансий 10-4, их вклад в электросопротивление равен 2 х 10-10 Ом м, т.е. менее 1.2% от электросопротивления чистой меди [13, 14].
Таблица 1. Химический состав медного сплава
Элемент Cr Ag Fe P Si Cu
Вес. % 0.5 0.12 0.06 0.06 0.05 Остальное
Из приведенных оценок следует, что в УМЗ-мед-ном сплаве Си—Сг вклад легирующих элементов в электросопротивление при комнатной температуре будет значительно превышать вклад границ зерен, дислокаций и вакансий. Поэтому уменьшение содержания легирующих элементов в кристаллической решетке внутри зерен, путем их перераспределения на границы зерен могло бы способствовать сохранению электропроводности.
Одним из возможных путей повышения прочности при сохранении электропроводности является создание УМЗ-структуры, в которой атомы легирующих элементов были бы локализованы в виде дисперсных частиц выделений, расположенных по границам зерен и в тройных стыках, при этом плотность дислокаций была бы невысокой. Формирование такой структуры возможно за счет развития динамического старения [15], поскольку выделение частиц является диффузионным процессом, а в УМЗ-материалах наблюдается снижение энергии активации зернограничной диффузии [16].
Таким образом, для достижения одновременно высокой прочности и электропроводности в медных сплавах системы Си—Сг требуется разработка оптимальных режимов интенсивной пластической деформации и последующей термической обработки, что и является целью настоящей работы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве материала для исследований был выбран медный сплав системы Си—Сг производства компании Ше1апё (Германия), который по результатам оптико-эмиссионного анализа, выполненного на спектрометре Вгикег ТАБМА^ имел химический состав, приведенный в табл. 1.
Перед закалкой на поверхность исходных заготовок медного сплава наносили защитное покрытие для предотвращения окисления поверхности. Затем образцы подвергали нагреву на воздухе до температуры 1050°С в течение 2 ч с последующей закалкой в воду.
Формирование УМЗ-структуры в образцах диаметром 20 мм и толщиной 1 мм проводили на установке для интенсивной пластической деформации кручением в диапазоне температур 20—450° С под давлением 6 ГПа при количестве оборотов, равном 10.
Обработку методом равноканального углового прессования (РКУП) выполнили за 8 проходов по
маршруту Вс на оснастке с углом пересечения каналов 90 град при температурах 20°C и 300°C на образцах диаметром 10 мм и длиной 60 мм.
Структурные исследования проводили на сканирующем электронном микроскопе JEM-6390 и просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100. Тонкие фольги готовили на установке "Tenupol-5" методом струйной электролитической полировки при напряжении 22-24 В с использованием электролита состава: 920 мл воды (Н2О), 70 мл ортофосфорной кислоты (Н3РО4), 15 мл глицерина (C3H5(OH)3). Структуру РКУП-образцов исследовали в поперечном сечении. Структуру ИПДК-об-разцов изучали на середине радиуса.
Микротвердость по методу Виккерса измеряли на установке Микромет 5101 вдоль диаметра ИПДК-образцов и в поперечном сечении РКУП-образцов под нагрузкой 100 г, используя время выдержки 10 с.
Удельную электропроводность определяли при комнатной температуре вихретоковым методом, с использованием прибора ВЭ-27НЦ c относительной погрешностью измерения 2%. Известно, что отожженной чистой меди, имеющей электропроводность 58 Мсм/м (электросопротивление 0.017241 мкОм м), по международному стандарту IACS (international annealed copper standard) соответствует обозначение 100% IACS [1]. Вследствие этого результаты измерений электропроводности в настоящей работе представлены в % IACS, т.е. в процентах от электропроводности чистой меди.
Испытания на одноосное растяжение проводили на установке для деформации малых образцов при комнатной температуре со скоростью 3 х 10-3 с-1. В каждом состоянии испытывали по два образца с размерами рабочей базы 4.0 х 1.0 х 0.7 мм3, вырезанными в продольном сечении РКУП заготовок. Рабочая база ИПДК образцов проходила через середину радиуса.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Микроструктура сплава в исходном состоянии характеризовалась средним размером зерен примерно 37 мкм и содержала включения мелкодисперсной упрочняющей фазы.
После закалки и ИПДК при температуре 20°С структура медного сплава измельчилась до среднего размера структурных элементов (зерен, субзерен, ячеек) примерно равного 200 нм (рис. 1).
% 1
1 ». 4. f
*• v
■ 500 нм ■ i i
Рис. 1. Микроструктура медного сплава Cu—Cr, подвергнутого ИПДК при температуре 20°C, наблюдаемая в просвечивающем электронном микроскопе:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе (111); в — картина микродифракции, с указанием рефлекса, в котором получено темнопольное изображение.
Сложный дифракционный контраст на электронно-микроскопических изображениях свидетельствует о наличии в структуре образцов высоких внутренних напряжений, возникших вследствие больших деформаций сдвигом в условиях высоких давлений. Анализ светлопольного и темно-польного изображений структуры УМЗ-образ-цов, полученных ИПДК-обработкой при температуре 20°С, не выявил в них частиц выделений. Дополнительный отжиг в течение 30 мин при температурах 300°С и 400°С этих образцов не привел к существенным изменениям в среднем размере структурных элементов, а также к появлению заметных частиц выделений.
После отжига в течение 30 мин при температуре 500°С в УМЗ-образцах, полученных ИПДК при 20°С, на фоне зерен со средним размером 200 нм наблюдаются частицы выделений с размером 10 нм (рис. 2а). На дифракционных картинах, снятых с этих частиц, были обнаружены точечные рефлексы, межплоскостные расстояния которых совпали с межплоскостными расстояниями чистого
хрома (рис. 2б, табл. 2), но при этом наблюдалось небольшое расхождение для дальних отражений между экспериментальными и табличными значениями, достигающее 0.3% для отражения (400).
Для сравнения отметим, что расхождение в величине межплоскостных расстояний между различными карточками PDF-2 (например, 01-07-2771 и 01-073-9565) для отражения (310) в чистом хроме составляет 0.7% (0.918 А и 0.912 А соответственно).
На изображениях структуры образцов, подвергнутых ИПДК при температуре 300°С, наблюдался такой же средний размер зерен 200 нм (рис. 3а), как и в образцах, подвергнутых ИПДК при 20°С (рис. 1). Но вместе с тем, на фотографиях структуры после ИПДК при 300°С, дополнительно были видны частицы со средним размером примерно 10 нм (рис. 3б). Это свидетельствует о развитии в образцах динамического старения, связанного с выделением частиц в условиях деформации сдвигом, пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.