Cu-Cr合金沉淀析出机制与理论研究

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Cu-Cr合金是典型的时效强化型合金,通过对该合金微观机理的研究,发现更多的规律,为设计和开发性能更好的铜基材料提供价电子层次的键信息。本文以Cu-Cr合金的固溶、时效实验为基础,运用固体与分子经验电子理论(简称EET理论),对Cu-Cr二元合金相空间、析出相与基体之间的异相界面的价电子结构进行计算。主要集中在如下几方面:1.绘制了合金时效后电导率差值的变化曲线、显微硬度的变化曲线,进行时效动力学的计算,在以上实验数据、时效曲线和时效动力学计算结果的基础上,选取了Cu-0.48Cr合金在不同时效温度状态下的样品进行高分辨透射电镜的观察。以确定的Cu-Cr合金在时效各个阶段的析出相的结构以及析出相和基体的位向关系,为有关Cu-Cr二元合金相空间、析出相与基体之间的异相界面的价电子结构的计算提供了实验依据。2.建立Cu-Cr二元合金固溶体中存在各相的价电子结构模型,认为固溶体内包含了两类晶胞:基体Cu晶胞,Cu-Cr晶胞。计算了这两类晶胞的价电子结构以及过饱和固溶体晶胞的价电子结构。3.对Cu-Cr二元合金的过饱和固溶体在时效过程中脱溶的G.P区及析出相单质Cr的价电子结构进行计算。4.对Cu-Cr二元合金在时效过程中出现的Cu基体/GP区的相界面、Cu基体/析出相Cr的相界面的界面能进行了计算,并对Cu-Cr二元合金时效过程中析出单质Cr原因进行了微观解释。5.对Cu-Cr二元合金在时效过程中出现的Cu基体/GP区的相界面、Cu基体/析出相Cr的异相界面的面电荷密度进行计算。6.对Cu-Cr合金的相结合因子和界面结合因子进行了计算,在价电子层次上研究了Cu-Cr二元合金的强化机制。研究结果表明:低含铬量的Cu-Cr合金在不同温度下时效时的析出次序和析出物为:低温时:Cu固溶体→Cr的G.P区→共格的Cr(b.c.c)相→非共格的Cr(b.c.c)相;高温时:Cu固溶体→共格的Cr(b.c.c)相→非共格的Cr(b.c.c)相。在Cu-Cr二元合金的固溶体中,Cu原子和Cr原子之间存在较强的相互作用,容易形成Cu-Cr的偏聚区,这些细小的偏聚区分散在固溶体中,有效地抑制基体Cu晶粒的长大,起到了固溶强化的作用。在Cu-Cr二元合金的过饱和固溶体中,最强键Cu-Cr的键强较低,说明其热稳定性差,容易发生分解,从而由过饱和状态析出新的相。Cu-Cr二元合金在时效过程中的析出相单质Cr的晶胞中最强键与次强键构成更加稳固的键网络使位错难以切过,从而提高了合金的强度。Cu-Cr二元合金在时效过程中基体Cu(111)面和G.P区(001)面之间的界面能较小,说明这两个面能够很好的匹配在一起形成较稳定的界面。Cu-Cr二元合金在时效过程中析出单质Cr(110)面比基体Cu(111)面的表面能大很多,说明沉淀相表面的吸附作用要高于基体的表面。Cu-Cr二元合金在时效过程中的G.P区与基体Cu的面电荷密度连续,对合金起到了强化的作用,而析出单质Cr相时,又表现出更高强度级别或更大应力下的界面稳定性,说明析出Cr相与基体Cu的相界面应力很大,直接影响了合金的硬度,使得合金的硬度达到峰值。
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