Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


Получение УМЗ структуры в меди и микрокомпозиционных медных сплавах методами больших пластических деформаций и ее влияние на свойства прочности и электропроводности

Работа №101807

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

металлургия

Объем работы23
Год сдачи2013
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
22
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основные результаты и выводы
Публикации

Актуальность работы.
Современный уровень развития электронной техники привел к появлению устройств, часто имеющих подвижные части и/или работающих в сложных условиях. Это обуславливает необходимость применения проводниковых материалов с высокой прочностью, например, в виде проводов, шин и фольг. В частности, высокопрочные фольги могут использоваться для изготовления гибких печатных плат, которые получают все большее распространение. Наиболее часто в качестве материала для них применяется чистая медь, которая обладает сравнительно небольшой прочностью. Повысить прочность меди возможно за счет измельчения ее микроструктуры до ультрамелкозернистого (УМЗ) состояния. Один из возможных способов получения измельченной структуры состоит в использовании больших пластических деформаций. Так, использование равноканального углового прессования (РКУП) позволяет получать достаточно массивные заготовки с однородной УМЗ структурой из меди с значительно повышенными механическими свойствами. Для получения фольг заготовки могут быть подвергнуты прокатке, которая обычно приводит к дополнительному повышению прочности. Однако на данный момент не вполне понятны механизмы эволюции микроструктуры в ходе прокатки, что обуславливает необходимость проведения более детальных исследований. Кроме того, еще одним резервом повышения прочности может быть уменьшение размера формирующихся структурных элементов за счет снижения температуры деформации до криогенной. Между тем исследования в этом направлении практически отсутствуют.
Другим перспективным классом материалов, для которого возможно получение сочетания высокой прочности с высокой электропроводностью, являются так называемые микрокомпозиционные медные сплавы. В этих сплавах, основанных на системах с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге, таких как Cu-Nb, Cu-Fe, Cu-Ag и др., медная матрица остается практически свободной от примесей, за счет чего обеспечивается достаточно высокая электропроводность. При этом при достаточной дисперсности второй фазы может достигаться крайне высокая прочность. Получить высокую дисперсность структуры возможно за счет применения больших пластических деформаций. Обычно микрокомпозиционные сплавы обрабатываются волочением, тогда как для получения фольг необходимо применение прокатки. Обработка микрокомпозиционных сплавов прокаткой остается сравнительно неизученной, в частности, практически отсутствуют исследования, посвященные изучению структуры и свойств сплавов системы Cu-Fe, привлекательных из-за своей относительной дешевизны.
Актуальность работы подтверждается научно-исследовательских работ в рамках ФЦП (госконтракт №14.740.11.0849 по теме “Разработка способов получения высокопрочных полуфабрикатов их медных сплавов с высокой электропроводностью”) в рамках субподрядного договора № 130/08/219-2008 по теме «Разработка технологии производства металлических наноструктурированных фольг для неразъемного соединения высокопрочных и разнородных материалов».
Таким образом, в данной работе была поставлена цель исследовать особенности формирования УМЗ структуры в меди и микрокомпозиционных медных сплавах при использовании методов больших пластических деформаций, в частности, РКУП и прокатки, а также оценить свойства прочности и электропроводности меди и ее сплавов с УМЗ структурой. Для достижения данной цели решались следующие задачи:
1) Изучить эволюцию микроструктуры меди после РКУП при комнатной температуре с различным числом циклов и последующей прокатки, а также при понижении температуры обработки до криогенной;
2) Исследовать механические свойства и электропроводность меди с УМЗ структурой, сформированной в ходе РКУП с последующей прокаткой при комнатной и криогенной температурах;
3) Исследовать эволюцию микроструктуры микрокомпозиционных сплавов Сп-14%Те и Сп-18%ИЪ в ходе прокатки;
4) Исследовать механические свойства и электропроводность микрокомпозиционных сплавов Сп-14%Те и Сп-18%ИЪ с УМЗ структурой после прокатки;
5) На основании полученных результатов выбрать и обосновать режимы получения высокопрочных и высокоэлектропроводных листов и фольг из меди и микрокомпозиционных медных сплавов с УМЗ структурой.
Научная новизна:
1) На примере меди показано, что при прокатке после РКУП происходит уменьшение межграничных расстояний в продольном и поперечном сечениях. Уменьшение межграничных расстояний обусловлено геометрическим эффектом деформации, то есть сжатием исходных зерен/субзерен. Формирование новых границ при прокатке практически не происходит, особенно в случае РКУП с числом проходов большим или равным четырем. Было показано, что заметное повышение доли ВУГ в меди после прокатки обусловлено более активным протеканием процессов динамического возврата и рекристаллизации.
2) Показано, что прокатка после РКУП приводит к повышению прочностных свойств меди за счет снижения расстояния между границами в продольном и поперечном сечениях в соответствии с правилом Холла- Петча.
3) При прокатке микрокомпозиционных сплавов происходит не достигающее насыщения измельчение микроструктуры, причем измельчаются как частицы железа (ниобия), так и структурные составляющие медной матрицы. Показано, что измельчение частиц в сплаве Cu-14%Fe обусловлено не только их пластической деформацией, но и дроблением в ходе прокатки.
4) Показано, что в сплаве Cu-14%Fe в результате прокатки, кроме заметного измельчения медной матрицы и частиц железа, наблюдается значительное изменение состава медной фазы. На начальных стадиях прокатки происходит распад пересыщенного твердого раствора железа в меди, образовавшегося при литье. В результате содержание железа в меди снижается, выделяются наноразмерные сферические частицы железа. При повышении степени деформации распад пересыщенного твердого раствора замедляется, а после прокатки с истиной степенью деформации е=6,6 имеет место локальное повышение концентрации железа в областях, прилегающих к частицам железа, обусловленное деформационным растворением этих частиц.
5) Установлено, что прокатка приводит к повышению прочностных свойств микрокомпозиционных сплавов Cu-14%Fe и Cu-18%Nb до уровня 1000 МПа и более. При этом для обоих сплавов наблюдается выполнение зависимости Холла-Петча между расстоянием между частицами железа и ниобия и пределом прочности, соответственно.
Практическая значимость.
1) Определены режимы комбинированной обработки меди РКУП и
прокаткой для получения листов и фольг, обеспечивающие
формирование структуры с преимущественно высокоугловыми разориентировками границам и средним расстоянием между границами ~100 нм. В результате возможно получить сочетание предела прочности и электропроводности на уровне 480 МПа и 94%IACS, или 530 МПа и 88% IACS.
2) Определены режимы обработки прокаткой микрокомпозиционных сплавов Cu-14%Fe и Cu-18%Nb для получения фольг, обеспечивающие достижение наноразмерного уровня дисперсности , как медной матрицы, так и частиц второго компонента (железа или ниобия). При этом возможно достижение сочетания предела прочности и электропроводности 1000 МПа и 40%IACS для сплава Cu-14%Fe, и 1130 МПа и 55% IACS для сплава Cu-18%Nb.
3) На основании разработанных режимов обработки были получены фольги
из сплава Cu-14%Fe размером 240x200 мм2 и толщиной 80 мкм, обладающие пределом прочности около 800 МПа и успешно использованные для изготовления гибких печатных плат. Изготовленные гибкие печатные платы соответствовали предъявляемым к ним требованиям (электропроводность, число циклов перегиба).
Положения, выносимые на защиту:
1) Трансформация равноосной структуры после РКУП в ламельную при прокатке за счет действия геометрического эффекта деформации;
2) Значительное повышение доли ВУГ после прокатки за счет активного протекания динамических возврата и рекристаллизации;
3) Отсутствие дополнительного измельчения микроструктуры при снижении температуры РКУП и прокатки до криогенной;
4) Изменение химического состава медной матрицы сплава Cu-14%Fe при прокатке за счет распада пересыщенного твердого раствора;
5) Режимы обработки меди и микрокомпозиционных сплавов Cu-14%Fe и Cu-18%Nb РКУП и прокаткой для получения высокопрочных и высокоэлектропроводных фольг с УМЗ структурой.
Апробация работы:
Материалы диссертации докладывались на 11-ой Международной конференции «Высокие давления - 2010. Фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Судак, Украина, 2010 г.); 49-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Киев, Украина, 2010 г.); 5th International Conference on Nanomaterials by Severe Plastic Deformation “NanoSPD5” (г. Нанджиг, Китай, 2011); IV всероссийская конференция по наноматериалам НАНО-2011 (г. Москва, 2011 г.). 51-ой Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Харьков, Украина, 2011 г.); 3ем международном симпозиуме Bulk Nanostructured Materials (г. Уфа, Россия, 23-25 августа, 2011) международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологии в металлургии и материаловедении» (г. Белгород, Россия, 13 - 15 октября, 2011), XIII Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, Россия, 12-16 ноября, 2012).
Вклад автора: Личное участие автора в полученных результатах состоит в выполнении основного объема экспериментальных и исследований, изложенных в диссертационной работе, включающих: подготовку объектов исследования, проведение экспериментов, обработку результатов исследований, участие в разработке методик проведения экспериментов и обсуждение полученных результатов, подготовку материалов для статей и докладов.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, и 7 статей и тезисов в сборниках трудов конференций.
Структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов и библиографического списка из 111 наименований. Общий объем работы составляет 141 страниц, содержит 36 рисунков и 7 таблиц.
Автор выражает признательность д.т.н. В.И. Панцирному и к.т.н. Н.Е. Хлебовой (ОАО “Наноэлектро”) за предоставленные образцы микрокомпозиционных сплавов и ценные консультации, а также к.т.н. А.В. Кузнецову (НИУ БелГУ) за помощь в проведении исследований.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


1) Прокатка трансформирует относительно равноосную структуру со средним размером зерен/субзерен около 180 нм (после 10 проходов), сформировавшуюся в меди после РКУП, в ламельную со средним расстоянием между границами в продольной и поперечной плоскостях 110¬120 нм. Уменьшение расстояния между границами в указанных плоскостях обусловлено действием геометрического эффекта деформации, приводящего к сжатию сформировавшихся в ходе РКУП зерен/субзерен.
2) В результате прокатки после РКУП наблюдается заметный рост доли ВУГ, составляющий около 20% при одинаковом числе проходов. Повышение доли ВУГ обусловлено более активным протеканием процессов динамического возврата и рекристаллизации при прокатке.
3) Показано, что снижение температуры РКУП и прокатки до криогенной, не приводит к заметному изменению микроструктуры по сравнению с комнатной температурой, вероятно, согласно литературным данным, в результате подавления поперечного скольжения в меди.
4) Прокатка с обжатием 90% после РКУП приводит к заметному повышению прочности меди за счет снижения расстояний между границами в продольной и поперечной плоскостях в соответствии с правилом Холла- Петча. Так, предел прочности после 4-10 проходов РКУП и прокатки составляет 485 МПа. Электропроводность меди после прокатки незначительно снижается, так, после 10 циклов РКУП прокатка снижает электропроводность с 96% до 94% !ЛС8. Увеличение обжатия при прокатке до 99,7% приводит к повышению прочности до 555 МПа, но снижает электропроводность до около 80% !ЛС8.
7) Снижение температуры РКУП и прокатки до криогенной приводит к незначительному повышению прочности на 30-40 МПа по сравнению с аналогичной обработкой при комнатной температуре, электропроводность при этом снижается до 90% IACS в случае РКУП.
8) Прокатка приводит к существенному измельчению микроструктуры микрокомпозиционных сплавов. Так, после прокатки сплава Cu-14%Fe со степенью деформации e=6,6 средняя толщина частиц железа составляет 30 нм, а среднее расстояние между границами в медной матрице - 80 нм. При прокатке происходит дробление частиц железа и ниобия.
9) В сплаве Cu-14%Fe в исходном состоянии было обнаружено образование пересыщенных твердых растворов, очевидно, из-за высокой скорости охлаждения. При прокатке происходит распад пересыщенного твердого раствора на основе меди.
10) Показано, что прокатка приводит к монотонному повышению прочностных свойств микрокомпозиционных сплавов, в результате чего после прокатки со степенью е=6,6 предел прочности составляет 1000 МПа и 1130 МПа в сплавах Cu-14%Fe и Cu-18%Nb соответственно. Электропроводность сплавов после прокатки снижается до 40% IACS и 55% IACS соответственно.
11) На основании проведенных исследований были предложены и обоснованы режимы получения листов и фольг из меди и микрокомпозиционных медных сплавов с УМЗ структурой с высокой прочностью и электропроводностью, изготовлены фольги размером 240 на 200 мм и толщиной 80 мкм, успешно примененные для получения гибких печатных плат.



1) А.В. Кузнецов, Н.Д. Степанов, Г.А. Салищев, В.И. Панцырный, Н.Е. Хлебова. Влияние холодной прокатки и отжига на микроструктуру, механические свойства и электропроводность микрокомпозиционного сплава Cu-18%Nb, полученного методом сборки // Металлы -2010 - №6 - с. 96 - 104.
2) N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, G.A. Salishchev, G.I. Raab, R.Z. Valiev. Effect of Cold Rolling on Structure and Mechanical Properties of Copper Subjected to Different Number of Passes of ECAP // Material Science Forum - 2011 - v. 667 - 669 - pp. 295 - 300.
3) G.A. Salishchev, N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, S.V. Zherebtsov, O.R. Valiakhmetov, A.A. Kuznetsov, S.V. Dobatkin. Effect of Multiaxial Forging on Structure Evolution and Mechanical Properties of Oxygen Free Copper // Material Science Forum - 2011 v. 667 - 669 - pp. 289 - 294.
4) N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, G.A. Salishchev, G.I. Raab, R.Z. Valiev. Effect of cold rolling on microstructure and mechanical properties of copper subjected to ECAP with various numbers of passes // Materials Science and Engineering A - 2012 - v. 554 - pp. 105- 115
5) N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, G.A. Salishchev, N.E. Khlebova, V.I. Pantsyrniy. Microstructure and mechanical properties of Cu-14%Fe alloy subjected to severe cold rolling // Material Science and Engineering A (http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2012.11.121)
Другие публикаци:
1) Г.А. Салищев, Жеребцов С.В., Н.В. Лопатин, Г.С. Дьяконов, А.В.
Кузнецов, Н.Д. Степанов, Г. И. Рааб, М.Ю. Мурашкин, Р.З. Валиев Микроструктура и механические свойства листов некоторых ГЦК -, ОЦК - и ГП - металлов, полученные комбинированными методами РКУП, мультиосевой деформации в сочетании с прокаткой // Тезисы 11-й международной конференции «Высокие давления - 2010.
Фундаментальные и прикладные аспекты» - Донецк: ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины, 2010 - с. 9.
2) Н.Д. Степанов А.В. Кузнецов, Г.А. Салищев, В.И. Панцырный, Н.Е. Хлебова. Влияние пластической деформации на структуру и свойства нанокомпозиционного сплава на основе меди // Тезисы 49-ой международной конференции «Актуальные проблемы прочности» - Киев: Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАН Украины, 2010 - с. 160.
3) Н.Д. Степанов, А.В. Кузнецов, Г.А. Салищев, В.И. Панцырный, Н.Е. Хлебова. Влияние холодной прокатки на структуру и свойства нанокомпозиционного сплава Cu-14%Fe // IV всероссийская конференция по наноматериалам. Москва 01-04 марта 2011 г. / Сборник материалов. - М. ИМЕТ РАН, 2011. - с. 406.
4) Н.Д. Степанов, А.В. Кузнецов, Г.А. Салищев, В.И. Панцырный, Н.Е. Хлебова. Структура и свойства микрокомпозиционного сплава Cu-14%Fe, подвергнутого холодной прокатке // Материалы 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». 16-20 мая 2011. г. Харьков, Украина. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2011. с. 350.
5) А.В. Кузнецов, Н.Д. Степанов, Г.А. Салищев, В.И. Панцырный, Н.Е. Хлебова. Микроструктура и механические свойства in situ композиционного сплава Cu-17.3%Nb после холодной прокатки // Материалы 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». 16-20 мая 2011. г. Харьков, Украина. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2011. с. 349.
6) N.D. Stepanov, A.V. Kuznetsov, G.A. Salishchev, R. Z. Valiev, G.I. Raab, G.A. Salishchev. Microstructure and mechanical properties of copper after ECAP and cold rolling // The third International Symposium BNM: book of abstracts.2011.P.235-236.
7) Степанов Н.Д. Эволюция микроструктуры и механических свойств микрокомпозиционного сплава Си-14% в ходе холодной прокатки // XIII Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых - сборник трудов конференции, 2012, с. 169-171


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ