提高弥散强化铜合金强度的主要方法.
作者简介：彭北山（1967—），湖南邵阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为金属材料的制备、加工及强化。 提高弥散强化铜合金强度的主要方法
彭北山 宁爱林
（邵阳学院机械工程学院 湖南邵阳 422004）
摘要：总结了提高弥散强化铜合金强度的几种方法，并对其强化机理进行了分析。得出结论是：第二相强化的效果最好，是制备高强高电导率材料最理想的方法。弥散强化铜的强度主要和基体及弥散相的本性、含量、大小、分布、形态以及弥散相与基体的结合情况有关，也与成形工艺有关，而弥散相的选择是首要的。
The Major Channel of Heighten the Intension of
the Dispersion-strengthened Copper Alloy
PengBeishan NingAilin
( Mechanical Engineering School of Shaoyang Collegiate Shaoyang hunan 422004)
Abstract: Have summarized some kinds of method of heighten the intension of the
dispersion- strengthened copper alloy, and analysed its reinforced mechanism. Conclusion is: the
effect of the dispersion reinforcement is the best. It is the most idea to prepare the the dispersion-
strengthened copper alloy. the strength of dispersion- strengthened copper is concerning nature
and form, content, size, distribution and the innate quality of dispersion appearance as well as
the combination condition of dispersion appearance and matrix, it is also concerning shape
technology, and the option of dispersion phase is chief.
1 引言
弥散强化铜因其优良的高温强度、高导电性和高导热性，已广泛地应用于电子信息、高速电气化铁路架空线、高速列车牵引电机、汽车和彩管等行业中的电阻焊电极、大推力火箭发动机内衬等高新技术领域[1]。弥散强化铜无论是用作电阻焊电极，还是用作大推力火箭发动机内衬，不但要求其具有高导电性和高导热性，还要求其具有较高的高温强度。本文对提高弥散强化铜合金强度的的主要方法和强化机理进行了讨论，并提出自己的看法。
2 弥散强化的机理和影响弥散强化材料强度的因素
2.1 弥散强化的机理
弥散强化机构的代表理论是位错理论。弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服阻碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。下面是几种主要的位错理论模型用以讨论屈服强度及硬化[2] [3] [4]。
2.1.1 奥罗万结构（Orowan Mechanism）
奥罗万结构的示意图如图1所示。
作者简介：彭北山（1967—），湖南邵阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为金属材料的制备、加工及强化。 位错线第二相质点图1 奥罗万结构示意图
（a）位错线通过前；（b）位错线弯曲；（c）形成位错环；（d）位错线通过后
按照这个结构，位错线不能直接越过第二相粒子，但在外力下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。屈服应力
τc与位错线上粒子的间距λ及切变模量μ和具有柏氏矢量为b的位错的之间的关系如下：τc=b，显然屈服应力与粒子间距成反比。
2.1.2 安塞尔-勒尼尔结构
安塞尔等人对弥散强化合金的屈服提出了另一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。即当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服，即：τc=Cb2 (1-3)
式中μ、μ*分别为基体及第二相粒子的切变模量，b为柏氏矢量，λ为位错线上粒子的间距，C为比例常数，约为30。
由上式可以得出：屈服应力与基体和弥散相的切变模量的平方根的积成正比，与粒子间距的平方根成反比，且屈服应力的大小与位错有关。
2.2 影响弥散强化材料强度的因素
弥散强化材料的强度不但与基体和弥散相的本性有关，而且决定于弥散相的含量、大小和分布、形态以及弥散相与基体的结合情况，也与成形工艺有关[5]。这里弥散相的选择是首要的，选择弥散相应该考虑以下几点：
2.2.1 熔点高，有高的结构稳定性
弥散强化合金要求高温强度好，所添加的强化相必须具有较高熔点及高的结构稳定性。
2.2.2 相界能低
强化相相界能低是弥散质点与基体结合良好的条件，这是粒子阻碍位错运动所需要的。相反，高界面能就等于粒子周围的空洞多，不仅不能阻碍位错运动，而且可能产生微裂纹。
2.2.3 具有热力学稳定和相容性 作者简介：彭北山（1967—），湖南邵阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为金属材料的制备、加工及强化。 从热力学来说，要求弥散相的生成自由能负值大，因为物质生成自由能的大小反映了物质的稳定性，生成自由能负值越大，弥散相在合金中就越稳定。同时要求弥散相与基体有良好的相容性，即在适当的弹性模量情况下要有相近的热膨胀系数，强化相尺寸越小，相互间允许的热膨胀系数的差异可以越大，否则在加热和冷却过程中，当热膨胀系数存在显著差异的情况下，在相界处可能产生应力，导致裂缝的发生。
2.2.4 强化相不溶于基体，在基体中扩散率低。
2.2.5 弥散相的含量、粒度要适中。
大量实践证明，弥散相的含量在1~15％的范围是比较适中的。当含量一定，粒子愈细，粒子数越多，粒子间距也越小，强度越高。
强化相通常是金属的氧、碳、氮化物。强化相的形态包括纤维、晶须、颗粒等[6] [7]。表1、表2分别列出了铜基合金中某些强化相及其主要性能。
表1 铜基体某些强化相
材料种类 化合物 形态
氧化物 Al2O3,Y2O3,ZrO2,ThO2,SiO2 颗粒、晶须、纤维
碳化物 ZrC,WC,SiC,NbC,TaC,TiC 颗粒、晶须、纤维
硼化物 TiB2,ZrB2,CrB2 颗粒
表2 强化相的主要性能[ 8]
强化相 密度
g/cm3 显微硬度
kg/mm2 弹性模量
kg/mm2 熔点
℃ 热膨胀系数×10-6/℃
TiC 4.93 2850~3200 35000 3250
NbC 7.82 2055 34500 3500 7.21
Cr3C2 6.65 1300 19400 1895
TiB2 4.45 3370 37400 2600 4.60
WC 15.6 1730 72200 2800 3.90
3 高导电率材料强度提高的几种方法
对于铜的强化方法主要有两种思路：一是引入合金元素强化铜基体而形成合金；二是进入第二强化相形成复合材料[5]。高导电率材料的强化方法大约有以下几种：
3.1 固熔强化
通过溶入某种溶质元素，形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象叫做固熔强化。固熔强化的产生是由于熔质原子熔入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，并形成“坷垂耳”气团，进而使位错移动时所受的阻力增大的缘故。在一般含量下，固熔强化可按溶质原子在基体中的分布状况分成非均匀强化和均匀强化[8]。非均匀强化又分为源强化、有序强化、浓度梯度强化等。若溶质原子在位错线上的偏聚，优先分布于晶体缺陷附近引起的强化称源强作者简介：彭北山（1967—），湖南邵阳人，讲师，硕士研究生。研究方向为金属材料的制备、加工及强化。 化；由于溶质原子作有序排列，使得位错与溶质原子产生几何交互作用而引起的分布存在浓度梯度引起的强化作用称浓度梯度强化。
均匀强化则是指固熔体中溶质原子统计的散步在基体中，溶质原子与基体原子的半径不同，使基体点阵发生一定程度的畸变，因此溶质原子与位错的应力场有弹性交互作用，构成位错滑移的障碍，从而引起强化作用。
但是固熔强化的高温性能差，加之固熔强化引起的点阵结构畸变对电子运动有强烈的散射作用，从而使导电率大大下降，固熔强化的这些缺点，使其不能成为制备高强度高导电材料的主要手段。
3.2 细晶强化
一般情况下，金属材料的晶粒较细，晶界较多，其室温强度就较大，在一定范围内，材料的屈服强度σs与晶粒直径d的关系可以用霍尔-配奇经验公式[9]表示：σs=σ0+Kyd-1/2 ，式中σ0和Ky均为常数，σ0表示晶内对变形的阻力，约相当与单晶的屈服强度，它和成分、温度有关；Ky表示晶界对变形的影响，它随晶界的结构而定，与温度的关系不大。显然，对一给定的金属材料来说，σs与晶粒直径的平方根成反比，这一关系在许多的金属材料中都可以见到。由此可见，细晶强化在于随晶粒直径减少，晶界增多，阻碍位错移动能力提高，因而强化了金属。晶粒细化仅产生晶体缺陷，细晶强化对材料导电率影响不大。所以，细晶强化是中温和低温材料的有效强化方法。
3.3 第二相强化
第二相强化是制备高强高电导率材料最理想的方法。实际使用的高强度合金大多含有高度弥散分布的细小的第二相质点，这些第二相往往是金属间化合物或氧化物、碳化物等，要比基体硬得多。在基体中渗入第二相的方法有好几种，最常见的是用固溶体的脱熔沉淀，进行时效热处理，这就是沉淀强化[10]。由于溶剂原子和溶质原子存在尺寸和弹性模量的差异，位错与粒子应力场的弹性交互作用及模量效应引起的强化效应是其主要强化机制。在基体中渗入第二相的方法更普遍的是利用粉末冶金等方法，使基体中形成弥散分布的增强相颗粒，提高强度，即第二相弥散强化。
表3 弥散强化铜与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比较[2]
强化方法 合金 σ（MPa） 软化温度(K)
第二相强化 Cu-0.7 vol％Al2O3 600 873
Cu-1.2vol％TiB2 620 900
固熔强化 Cu-0.85Cr 592 700
Cu-0.15Zr 523 700
表3为用第二相强化法生产的弥散强化铜与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金的性能比较，显然，
弥散强化铜的性能优于Cu-Cr合金及Cu-Zr合金，特别有意义的是：用第二相强化法生产的弥散强化铜在提高强度的同时，其软化温度显著高与Cu-Cr合金及Cu-Zr合金。
4 结语
弥散强化铜的强化方法主要有固熔强化、细晶强化、第二相强化等；第二相强化的效果最好，是制备高强高电导率材料最理想的方法；弥散强化机构的代表理论是位错理论，弥散
弥散强化铜锻造性的研究
第ｌ２卷第４期 ２ＯＯ２年８月 粉末冶金工业 ｐＯＷＤ同Ｒ Ｍ暇ＴＡＩ ＾瓜ＧＹ ＩＩ￣Ｕ￥ＴＲＹ Ｖ０１．１２ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２ＯＯ２
弥散强化铜锻造性的研究
彭茂公 ，亢若谷 ，王云坤 ，张家敏 ，刘珂呈 （１．昆明冶金研究院，云南昆明６５００３１； ２．昆明冶研新材料股份有限公司，云南昆明６５００３１） 摘 要：对弥散强化铜的锻造性进行了研究。针对预成形坯在锻造过程中出现 的裂纹问题，研究了预成形坯的相对密度、高径比、锻造能量、变形时的应力状态 对其锻造性的影响。通过研究表明：使用合理的工艺参数能够对低塑性的弥散 强化铜进行锻造加工，并可大大改善其工作性能。 关键词：弥散强化铜；锻造性；物理性能；力学性能 中图分类号：ＴＦ１２５．２ １１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—６５４３｛２００２）０４—００２１—０７ ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＦＯＲＧＥＡＢⅡ．ｒＩＹ ＯＦ ＤＩｓＰＥＲＳＩＯＮ—ＳＴＲＥＮＧＴＨＥＮＥＤ ＣＯＰＰＥＲ Ｈ Ｇ Ｍ∞一ｇ０ ，ＫＥＮＧ Ｒｏ－ ，ＷＡＮＧ ｙｔｍ－ｌａｍＩ，ＺＨＡＮＧ ｙｍ－ｍｉｎＩ，ＬＩＯＵ Ｋｅ－ｃｈｅｎ￣ （１．Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｙｕｎｎａｎ ６５００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｙｕｎｎａｎ ６５００３１。Ｃｌａｉｍ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｏｒｇｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ—ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｏｃｕｃｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｂｌａｎｋ，ｆｏｒｇｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ，ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｈｅｉｇｈｔ／ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｇｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ—ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｆｏｒｇｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅａｓｏｎａｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｎ ｂｅ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ—ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｃｏｐｐｅｒ；ｆｏｒｇｅａｂｉｌｉｔｙ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｍｅｃｈａｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 弥散强化铜以其电导率高，高温力学性 能优异作为电阻焊电极、滚焊轮被广泛应用 于汽车、摩托车、家用电器及航空航天等相关 领域。经过长期实践与理论证明，弥散强化 铜作为电阻焊电极与传统的铜铬合金相比， 由于弥散强化铜粉末中含有耐高温的硬质颗 粒均匀地附在铜基体上，在接近铜的熔点温 度下，硬质颗粒仍保持原始粒度和间距ｎ ，其 热稳定性使之具有极好的高温性能，同时其 电导率仍能满足电极的要求，使之高强度与 高电导率很好的结合。 弥散强化铜锻造性研究就是为了制取高 收稿１３期：２０Ｏｌ一１２一Ｏｌ 基金项目：省攻关资助项目（２００１ＧＧｌ１）
金属材料的强化方法
金属的五种强化机制及实例
溶强化
⑴纯金属加入合金组元变为固溶体，其强度、硬度将升高而塑性将降低，这个现象称为固溶强化.
（2）固溶强化的机制是：金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的故凡是可以增大位错滑移阻力的因素 都将使变形抗力增大，从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后，不仅使晶格发生畸 变，同时使位错密度增加.畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金组元的原子聚集在 位错线周围形成"气团"。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用，带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来使 位错滑移所需的切应力增大.
（3）实例：表1列出了几种普通黄铜的强度值，它们的显微组织都是单相固溶体，但含锌量不同，强度 有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时，应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素，例 如在铝合金中加入铜、镁；在镁合金中加入铝、锌;在铜合金中加入锌、铝、锡、镍；在钛合金中加入铝、 钒等。
表1 几种普通黄铜的强度（退火状态）
表1儿种普通黄铜的强度（退火状态）
牌 号 H96 H90
H6S H62
显微组织 』固溶体 世固溶体
（10%2h） «固溶体
⑵泌） 我固溶体
（32 %Za） 俱固溶体
国的）
240 颂 310 330 360
对同一种固溶体，强度随浓度增加呈曲线关系升高见图1。在浓度较低时，强度升高较快，以后渐趋平缓，大 约在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例:H96的含锌量为4 % , ob为240MPa ,与纯铜相 比其强度增加911 %;H90的含锌量为10 % , ob为260MPa ,与H96相比强度仅提高813 %.
2 细晶强化 素都对位错滑移产生很大的阻碍作用，从而使强度升高.晶粒越细小，晶界总面积就越大，强度越高，这一现 象称为细晶强化。
（2）细晶强化机制:通常金属是由许多晶粒组成的多晶体晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示 数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。 这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小此外， 晶粒越细,晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展.
弥散铝氧化铜电极的作用
弥散铝氧化铜电极的作用
作用特点 描述
高强度与高硬度 弥散铝氧化铜电极通过极细小的Al₂O₃微粒强化铜基体，使其具有显著的高强度和高硬度，这使其在承受高温高压的焊接过程中能够保持较好的稳定性和耐久性。
高导电性与高软化温度 该电极材料具有高导电性（导电率≥80%IACS，部分材料甚至高达85%IACS），能够有效减少焊接过程中的电能损失和电极发热现象。同时，其高软化温度（≥900℃，部分材料可达930℃）使其在高温焊接环境中仍能保持良好的物理性能。
抗粘性与耐磨性 在焊接镀锌板、镀镍板等金属时，弥散铝氧化铜电极不易与焊件发生粘结和合金化，从而延长了电极的使用寿命。此外，其高硬度和耐磨性也减少了电极在焊接过程中的磨损。 焊接性能优越 电极接触火花小，焊点美观，无明显凹痕，特别是在焊接镀锌钢板时，能有效避免电极粘结和焊点质量不稳定的问题，提高了焊接质量和生产效率。
应用领域广泛 主要用于电阻焊电极头、电极帽、电焊轮、电极臂等焊接设备部件，以及真空开关、电气接插件、触头等电气元件。在电工、电子及通讯、汽车、家电及容器制造、模具等行业有着广泛的应用。
提高生产效率 由于其较长的使用寿命和较少的磨损，减少了电极的更换和修磨次数，从而提高了生产线的整体效率和产能。
纳米铜粉
纳米铜粉指标：
颜色：紫红色
粒径：100纳米
纯度：99.5%
比表面积：6.67平方米/克
纳米铜粉应用领域：
1、导电浆料：用此方法生产的100纳米铜粉配成铜电子浆料，可以烧结出仅有0.6个微米厚的电极，用于MLCC,使MLCC器件小型化，优化微电子工艺,代替银电等贵金属电子浆料，大幅度降价成本。
2、 高效催化剂：铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。
3、药物添加材料：纳米铜粉为原料制成药物（重量比为0.2～０.４%），具有明显降低ＭＤＡ含量，改善由于氧自由基所造成的脂质过氧化损害，明显增加ＳＯＤ含量，增强机体ＳＯＤ水平，调节其功能活性表达的特性，从而达到延缓人体的老化过程，干预、推迟其机体组织结构向衰老转化，开辟了生命科学领域抗衰老的新途径。有研究者作为制备抗衰老和脑缺血、脑血栓后遗症等的治疗药物，且疗效确切，服用方便、安全。更有专家教授用于治疗癌症，取得了奇效后反过头来探索其机理。纳米铜粉也可以用于治疗骨质疏松，骨质增生等新特效药的添加材料。
4、纳米铜粉弥散强化铜合金等，大幅度提高铜合金的强度和硬度，大幅度提高铜合金的软化温度，同时大幅度提高铜合金的导电和导热能力。
5、油墨导电填料：此方法生产的100纳米铜粉具有纳米材料独有的场发射效应和量子隧道效应，在高导电油墨里替代银粉做高导电填料，大幅度降低成本。
6、 金属和非金属的表面导电涂层处理:纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。
7、 块体金属纳米材料用原料：采用惰性气体保护粉末冶金烧结制备大块铜金属纳米复合结构材料。
8、金属纳米润滑添加剂：添加0.1~0.6%至润滑油、润滑脂中，在摩檫过程中使摩檫副表面形成自润滑、自修复膜，显著提高摩檫副的抗磨减摩性能。
9、纳米金属自修复剂：添加至各种机械设备金属摩擦副润滑油中，实现金属摩擦已磨损部分自修复，节能降耗，提高设备使用寿命及维修周期。
SiC和SiO2纳米颗粒弥散强化铜基复合材料的制备和性能研究
宗跃等：ＳｉＣ和ＳｉＯ２纳米颗粒弥散强化铜基复合材料的制备和性能研究 ５１１
ＳｉＣ和ＳｉＯ２纳米颗粒弥散强化铜基复合材料的制备和性能研究木
宗 跃１，吴玉程２汪峰涛２，王文芳２
（１．合肥工业大学复合材料公司，安徽合肥２３０００９；２．合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要： 采用粉末冶金法制备了不同含量的纳米ＳｉＣ
和ＳｉＯ２颗粒增强的Ｃｕ基复合材料．研究了增强相含量
对铜基复合材料性能的影响，比较了ｎ．ＳｉＣ和ｎ．ＳｉＯ２
对铜的增强效果。结果表明，ｎ．ＳｉＯ２和ｎ．ＳｉＣ颗粒较少
含量较少时在基体中分布较为均匀，团聚较少；随着复
合材料中ｎ．ＳｉＣ和ｎ．ＳｉＯ２质量分数的增加，材料的密度
降低，电阻率升高，而硬度先升高后降低；两种复合材
料的软化温度都达到７００℃以上，远远高于纯铜的软化
温度（１５Ｏ℃），提高了材料的热稳定性；颗粒含量相同时，
ｎ．ＳｉＣ的对铜基体的增强效果要优于ｎ．ＳｉＯ２。
关键词： Ｃｕ基复合材料；粉末冶金；纳米颗粒；热稳
定性
中图分类号：ＴＢ３３１；ＴＦ１２；ＴＧ１１３．２５文献标识码：Ａ
文章编号： １００１．９７３１（２００７）增刊．０５１１．０３
ｌ 引 言
铜及铜合金具有优良的导热、导电性能，但其硬度
和抗拉强度低、热稳定性差等缺陷已使其不能够满足快
速发展的信息技术和微电子工业对高强、高导材料的要
求【】 】。目前，采用第二相增强的铜基复合材料已经得到
了广泛的研究。纳米颗粒具有比表面积大、表面活性高、
易于烧结等特性，采用纳米颗粒增强的铜基复合材料因
同时具有良好的导电、导热性能以及较高的强度和耐磨
性能在电子行业和航天领域有着广阔的应用前景口 】，并
成为高强、高导材料领域研究的重点。但是，在颗粒增
强铜基复合材料强度的同时，导电性的降低是不可避免
的，因此如何在不过多牺牲热导率和电导率的前提下提
高铜基复合材料的强度和耐磨性，达到高强、高导领域
挤压态Cu-Al2O3弥散强化铜合金组织结构与强化机制的定量探讨
第３３卷第１期 ２ ０ ０ ６年２月 湖南大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｆｔｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２ Ｏ ０ ６
文章编号：１０００．２４７２（２００６）０１—００９４—０４
挤压态Ｃｕ．Ａｌ２Ｏ３弥散强化
铜合金组织结构与强化机制的定量探讨
邓楚平 ，黄伯云ｌ，潘志勇
（１．中南大学粉末冶金研究院，湖南长沙４１００８３； ２．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１００８３） 摘要：通过力学性能测试、金相和透射电镜观察等手段研究了热挤压态Ｃｕ一０．１２
２ 弥散强化铜合金的组织与性能．结果表明：挤压态（ ｕ一 ２ 弥散强化铜合金的主要强
化机制是细晶强化和弥散强化．细小的Ａｌ，０ 相钉扎位错，强烈抑制基体的再结晶，造成材
料小晶粒、多晶界效应，其平均亚晶粒大小仅为２～４ ｆ肌，同时对不同强制机制对合金强度 的贡献进行了定量计算，计算值与实验值吻合较好．
关键词：Ｃｕ一 ０３；弥散强化；热挤压
中图分类号：ＴＧ１４６ 文献标识码：Ａ
Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ
ｔｈｅ Ａ１２０３ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ａｌｌｏｙ ａｓ Ｈｏｔ—ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
ＤＥＮＧ Ｃｈｕ—ｐｉｎｇ ，ＨＵＡＮＧ Ｂｏ—ｙｕｎ ，ＰＡＮ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ２
（１．Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ－ｔｔｕｎａｎ ４１００８３－Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｕ—Ａｌ２Ｏ３ ａｌｌｏｙ ａｓ ｈｏｔ—ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍＰ＿￣ｎｓ ｏｆ ｍｅ
提高金属材料强度的方法
提高金属材料强度的方法
一、引言
金属材料是人类社会发展的重要基础材料之一，其强度是评价金属材料性能的重要指标之一。因此，提高金属材料强度的方法一直是人们关注的热点问题。本文将从以下几个方面介绍提高金属材料强度的方法。
二、合金化
合金化是提高金属材料强度最常用的方法之一。通过在原有的金属中添加其他元素，可以改变其晶体结构和微观组织，从而提高其强度。例如，在铝中添加少量锰可以得到铝锰合金，具有更高的强度和硬度。
三、热处理
热处理是通过加热和冷却来改变金属材料组织和性能的方法。常见的热处理方法包括退火、淬火和回火等。退火可以消除应力和改善晶界结构，提高塑性；淬火可以使组织变为马氏体，并提高硬度和强度；回火则可以降低硬度并增加韧性。
四、冷加工
冷加工是指在室温下对金属进行塑性变形，如拉伸、压缩、扭转等。这种变形可以使金属的晶界变细，位错密度增加，从而提高其强度和硬度。但过度的冷加工也会导致金属脆性增加。
五、表面处理
表面处理是指对金属材料表面进行化学或物理处理，以改善其性能。例如，电镀可以在金属表面形成一层保护膜，防止氧化和腐蚀；喷涂可以在金属表面形成一层陶瓷涂层，提高磨损和耐腐蚀性。
六、纳米技术
纳米技术是指通过控制材料尺寸在纳米级别来改变其性质和性能的技术。在金属材料中引入纳米级别的晶粒或相界可以显著提高其强度和硬度，并且不会影响其塑性。
七、结论
综上所述，合金化、热处理、冷加工、表面处理和纳米技术是提高金属材料强度的常用方法。不同的方法适用于不同类型的金属材料和应用场景。在实际应用中需要根据具体情况选择合适的方法来提高金属材料的强度和性能。
金属材料的强化方法_细晶强化_沉淀强化_固溶强化_第二相强化_形变强化
金属的五种强化机制及实例
1 固溶强化
(1) 纯金属加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
（2）固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
（3）实例： 表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。
表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)
对同一种固溶体, 强度随浓度增加呈曲线关系升高, 见图1。在浓度较低时, 强度升高较快, 以后渐趋平缓,大约在原子分数为50 %时达到极大值。以普通黄铜为例: H96 的含锌量为4 % , σb 为240MPa , 与纯铜相比其强度增加911 %;H90 的含锌量为10 % , σb 为260MPa , 与H96 相比强度仅提高813 %。
2 细晶强化
(1) 晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高,
这一现象称为细晶强化。
(2) 细晶强化机制：通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
铜及铜合金的介绍
铜及铜合金的介绍
目前，铜及铜合金已成为第二大有色金属，是全球经济各行业中广泛需求的基础材料。铜及铜合金之所以得到广泛的应用，是由于其具有一系列不可代替的优异特性。特性如下所列：
（1） 铜及其合金具有优良的导电和导热性能，在所有金属中，铜的导电性仅次于银。铜的导热性是所有金属中最好的，为420W/（m﹒k）。当然，随着合金化程度显著提高，人类现代技术发展了一系列实现铜合金高强高导的途径。导电、导热是铜及其合金最重要的应用。
（2） 铜是抗磁性金属，并且抗磁性磁化率低，因此铜及其合金在抗外磁场的环境下得到了广泛的应用，如仪表，罗盘、航空、航天。雷达等，但含铁，锰及高Ni的铜合金不在此之列。
（3） 铜的摩擦因数很小，因此以铜为基体的铜合金耐磨性优良，尤其是含Sn 的多元铜合金。
（4） 铜的电极电位很高，高于氢，其标准电极电位为+0.34V，因此铜的耐腐性良好，在许多介质中具有稳定。
（5） 铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，因而具有很高的塑性，非常易于加工成形。铜尽强度很低，但不少元素在铜中溶解度都很大，固溶强化效果很好，这使得很多铜合金兼并具有高强度和高韧性，从而广泛用来制造高强，高韧，高导电，高导热和高耐蚀的重要零件。
（6） 铜呈紫铜色，并通过合金化，形成金黄色和银白色，色调古典，可适用于货币和工艺美术品等
（7） 铜通过合金化，还可以使其产生一些奇特性能，如形状记忆效应，超弹性和减振性。
铜和铜合金最普通的分类方法是将其分成六大类：紫铜、高铜合金、黄铜、青铜、白铜和锌白铜。由于实际应用的紫铜，和黄铜较普遍。紫铜又叫工业纯铜，紫铜通常较软且有韧性，含杂质总量低于0.7%。高铜合金含有少量的，各种合金元素如铍，镉，Cr,或Fe等，每一种合金元素的固溶度小于8%（摩尔分数）其这些元素可改善铜的一种或一种以上基本性能，其余几大类的每一类含五种主要的合金元素的一种，以作为每类合金的初始合金组分，如下图4.1-1
弥散铜
弥散强化铜合金
中文名称：弥散强化铜合金
英文名称：dispersion strengthened copper alloy
定义：用和铜具有良好相容性的高稳定性、高模量弥散质点来强化的铜合金。
应用学科：材料科学技术（一级学科）；金属材料（二级学科）；有色金属材料（二级学科）；铜及其合金（二级学科）
简介
弥散强化铜合金又称氧化铝铜（Cu-Al2O3）是一种优异的高强、高导材料。由于纳米级Al2O3对基体铜的弥散强化作用，该合金具有高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性。
弥散铜棒
其特点如下：
组织稳定，无相变。屈服强度和抗拉强度高。常温硬度高，随着温度升高，硬度下降幅度小，高温抗蠕变性能好。热、电传导率高。加工性能优良。软化温度高达930℃，是铜合金中比较高，但是低于钨铜（1000℃）导电率高达85%IACS，散热性能介于钨铜（220 W/m.k)
以及纯铜（390 W/m-k）之间。硬度超过HRB 84，强度高，疲劳性能和耐磨性能好。 产品牌号及性能
牌号 硬度HRB 导电率%IACS 抗拉强度MPa 典型使用条件 备注
1 64-66 90 480 弯电极 相当于C15715
2 74-76 85 545 冲压电极帽 相当于C15740
3 78-80 83 560 冲压电极帽或机加工电极 比C15740性能稍高
4 80-84 80 610 机加工电极 相当于C15760
主要用途
主要用于电阻焊电极头、电极帽、电焊轮、电极臂、切割及气保焊用的导电咀、真空开关、电气接插件、触头、服务领域 电工、电子及通讯 汽车、家电及容器制造、模具等。