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Cu-20Ni-20Mn合金是一种典型的高强高弹无铍铜合金,具有与铍青铜相当弹性模量和强度,其高温稳定性优于铍青铜,是一种潜在的铍青铜替代材料。迄今,已有研究通过Cu-Ni-Mn系合金热力学相图和组织观察,初步阐明了Cu-20Ni-20Mn合金的时效析出行为。为更系统的研究时效过程中Cu-20Ni-20Mn合金的组织演变规律及其强化机制,本文利用金相与电子显微技术,X射线衍射等分析方法对Cu-20Ni-20Mn合金组织结构进行了观察;采用拉伸、冲击和摩擦等性能测试手段测量合金的力学性能。通过分析微观组织结构与力学性能之间的内在关系,构建合金微观组织结构-强化机制-力学性能间的映射关系,并探索Cu-20Ni-20Mn合金在不同服役条件下微结构特征对综合力学性能的调控机制。Cu-20Ni-20Mn合金中会发生三种固态相变反应,即不连续析出反应,连续析出反应,以及沉淀相的回溶反应。使用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM),观察各温度区间Cu-20Ni-20Mn合金的微观组织演变,结合DSC曲线分析合金升温过程中的热力学变化,以确定合金的固态相变反应温度。合金不连续析出反应发生的温度范围为200℃-475℃;连续析出反应发生的温度范围为350℃-475℃;合金固溶线温度在500℃至525℃之间。在不连续析出反应过程中,在晶界处形核析出由片层状NiMn相与贫溶质原子基体组成的不连续析出组织,由于合金中较高强度不连续析出组织,合金强度能明显提高;发生连续析出反应时,NiMn相颗粒在基体中弥散析出,由于弥散强化的作用能有效提高合金强度。在350℃(不连续析出反应为主导)和450℃(连续析出反应为主导)时效的峰值硬度分别为451Hv和436Hv,这说明两种时效析出反应能够通过不同的强化方式提高合金强度,二者的强化效果大致相同。通过TEM分析可以确定时效过程中析出的沉淀相是有序的面心四方结构NiMn相,NiMn相与基体存在一定的晶体学取向关系,具体的取向关系为:(002)matrix∥(001)NiMn,[100]matrix∥[100]NiMn。不连续析出组织的长大速率与温度有关。通过JMAK方程和Aaronson-Liu模型描述Cu-20Ni-20Mn合金的不连续析出长大动力学过程,得出不连续析出组织的晶界化学扩散激活能分别为72.7±7.2 kJ/mol和94.1±16.8 kJ/mol,远小于Ni、Mn元素在基体中发生体扩散所需的激活能。这说明不连续析出组织易于在晶界出形核析出,这也是不连续析出反应的温度区间要大于连续析出反应的原因。不连续析出反应与连续析出反应存在竞争关系,弥散析出的NiMn相会抑制不连续析出组织的长大,不连续析出组织也可能会吞噬尺寸较小的NiMn相粒子。通过TEM和小角X射线散射分析可以确定,当NiMn相尺寸大于5nm,能够有效阻碍不连续析出组织界面前沿的迁移。冷变形将导致合金中的位错密度增加,这不仅能促进NiMn相的沉淀析出,还能提高合金强度。固溶态合金经过变形量为95%的冷轧后,其屈服强度达到807Mpa。然而随着NiMn相的弥散析出,位错强化效果逐渐减弱,沉淀强化将起到主导作用。合金晶粒尺寸减小可以增强晶界强化的效果,从而提高合金屈服强度。通过对比晶粒尺寸与合金力学性能的关系,可以确定Cu-20Ni-20Mn合金晶粒直径与硬度符合Hall-Petch关系相符,其Hall-Petch方程可以表示为Hv=82.6+0.28D-1/2。根据Cu-20Ni-20Mn合金的潜在应用环境,对合金的冲击性能、摩擦性能以及低温性能进行了研究。研究发现,当温度为77K,Cu-20Ni-20Mn合金的强度和弹性模量会略微升高。通过强度比与弹性模量比可知材料强度主要是受到非热障碍控制的。深冷处理前后,材料晶格常数没有变化,性能较为稳定。合金的冲击吸收功所随时效时间的延长逐渐的减小。低温条件下和深冷处理后,合金的冲击性能差别不大。以石墨作为摩擦副,与不同时效状态下的Cu-20Ni-20Mn合金材料进行摩擦,其摩擦系数是恒定的,约为0.09。