脉冲电流调控Cu-Ni-Mn合金的组织与性能及机理研究

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Cu-Ni-Mn合金由于具备良好的物理、机械和耐腐蚀性而被广泛应用于航空工业、石油化工、船舶制造以及挖掘等领域。由于该合金具备强烈的时效硬化特性,因此,除冷变形处理外,通常采用时效处理的方式提高合金的强度。但是加工硬化现象以及时效过程产生的析出相降低了合金的塑性和耐腐蚀性,同时,析出相还存在晶界择优析出现象,其聚集于晶界处导致合金易沿晶界发生脆性断裂,铸态合金粗大的树枝晶晶粒也影响了合金的综合性能。针对Cu-Ni-Mn合金的强度、塑性此消彼长,以及合金耐腐蚀性在时效处理和冷变形处理后下降的问题,本文通过对合金进行热变形、冷变形、时效和脉冲电流处理相结合的方式,制备出了兼具高强度和高塑性的合金,并改善了合金的耐腐蚀性。同时,采用SEM、EDS、EBSD和TEM等表征手段,研究并分析了 Cu-Ni-Mn合金经脉冲电流处理前后的微观组织演变。探索形变时效Cu-Ni-Mn合金经脉冲电流处理后晶粒取向、大小角度晶界的转变情况,揭示合金再结晶行为;研究脉冲电流处理前后,合金中析出相数量及分布密度变化、应变分布变化、位错密度变化以及再结晶晶粒尺寸变化,共同阐明微观组织演变对合金性能的影响,以获得制备优良综合性能Cu-Ni-Mn合金的工艺;实验验证并结合机理图、理论计算公式,讨论说明焦耳热效应和电子风力对合金微观组织演变过程的影响机理。研究结果表明:较大的形变量可以提高合金中的位错密度,并使θ-MnNi沉淀相的晶界择优析出现象得到有效抑制。位错缠结和θ-MnNi沉淀相的集中分布,导致该区域具备较高的电阻率,从而在脉冲处理过程中产生更高的焦耳热效应,促进了该区域的回复再结晶过程,并加速了该区域θ-MnNi沉淀相的溶解速率。Cu-Ni-Mn合金经脉冲电流处理后,其微观组织中仅能观察到较低密度的位错线以及少量分布于晶界的θ-MnNi沉淀相。同时,形变过程中θ-MnNi沉淀相有较高的应力集中,导致合金优先从此处发生断裂。合金经脉冲电流处理后,组织中位错密度降低,小角度晶界逐渐转变为大角度晶界,合金发生了回复与再结晶。除了焦耳热效应外,电子风力对合金的影响也较为明显,随着脉冲电流密度的提高,电子风力作用更加显著。电子风力可以促进位错运动,打开位错缠结;还可以促进合金发生再结晶,加速再结晶过程,并能够在较低温度下促进合金发生回复和较小程度的再结晶;同时,电子风力可以增加θ-MnNi沉淀相的溶解动力,减少θ-MnNi沉淀相的回溶时间。在脉冲电流的焦耳热效应和电子风力的共同作用下,合金中位错密度的变化、θ-MnNi沉淀相数量及分布密度的变化、再结晶晶粒相对于形变组织中晶粒的尺寸变化、以及退火孪晶的产生,是导致合金力学性能和耐腐蚀性变化的主要原因。选择合适的形变工艺和脉冲处理工艺是制备优良综合性能Cu-Ni-Mn合金的前提。合金经形变量为80%的冷轧处理和低密度脉冲电流长时间作用(LDL-EPT)后,其综合性能优于经形变量为96%的冷轧处理和高密度脉冲电流短时间作用(HDS-EPT)后的合金。经脉冲电流处理后,合金的抗拉强度为950.5MPa,伸长率为11.5%,比相同伸长率下固溶时效处理的铸态合金抗拉强度提高了 30.1%,当抗拉强度为800MPa时,伸长率仍然可以达到15%,同时具备较高的强度和塑性,但是耐腐蚀性较差;通过调整脉冲参数,合金具备较高的强度、耐腐蚀性和一定的塑性,其抗拉强度为1102.3MPa,耐腐蚀性为2mm/year,伸长率为5%。
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