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节能低碳、绿色环保的新趋势迫使纯铜在保证导热、导电性能的前提下,进一步提高其强度及耐蚀性能。稀土作为工业中的“维生素”,具有变质、强化、提高耐热和耐蚀性能等作用。结合微合金化工艺,稀土微合金技术势必是开发新一代电力、制冷用铜材的最佳有效途径。目前,国内外研究已经发现,稀土在铜中能够细化晶粒,减小柱状晶区,扩大等轴晶区;此外,稀土与铜及其杂质形成的富稀土第二相粒子,能够显著改善铜的抗软化性能,提高铜的再结晶温度;而这些第二相粒子,也能够有效改善铜的力学性能。然而,在稀土与铜之间的相互作用下存在的一些规律及机理还尚不明确。为了进一步揭示稀土对铜的强化机制,深刻发掘稀土诱导铜凝固组织转变机理,明确富稀土第二相粒子对铜的再结晶过程、加工硬化行为及热变形行为的影响规律,本文系统的研究了稀土La微合金化对铜的组织转变及力学性能的影响机理,也为开发新型电力、制冷用铜材的稀土微合金化技术提供了理论依据。 本文首先采用真空熔炼制备La含量为0~0.32 wt.%的稀土La微合金化铜(Cu-xLa),研究了稀土La的净化作用及在铜中的吸收率。结果表明,稀土La能够有效除去铜中Pb、Si等杂质元素;在真空熔炼条件下,La在铜中的最大吸收率为93.13%。进一步研究了稀土La诱导铜的组织转变机理,并基于Hunt模型建立了考虑临界合金含量为判据的CET预测模型。通过透射表征,确定了Cu6La粒子的存在,并分析了Cu6La的形成与分布规律和作用。 对Cu-xLa进行80%冷轧变形,采用250~350℃×1~480min再结晶退火实验,研究了冷轧Cu-xLa的静态再结晶机制。结果表明,Cu6La粒子的钉扎作用抑制了冷轧Cu-xLa的再结晶过程,当稀土La含量超过0.1wt.%时,Cu6La粒子的PSN效应减弱了第二相对Cu-xLa再结晶过程的抑制作用,并进一步确定冷轧Cu-xLa再结晶过程从抑制到抑制作用被减弱的第二相粒子Fv与r的临界比值是0.3μm-1。 采用440~540℃×2h的高温退火实验,研究了Cu6La粒子在冷变形后热处理过程中的演变机制以及对Cu-xLa组织演变的影响规律。研究发现,在Cu-xLa中存在两种Cu6La粒子:一种是1~3μm小颗粒不可变形Cu6La粒子,经冷轧后,在该粒子周围会形成粒子变形区;另一种是3~5μm大颗粒可变形Cu6La粒子,经冷轧后,与基体发生协调变形形成了粒子变形带。 通过拉伸实验,研究了冷变形后热处理Cu-xLa的强化机理,明确了Cu6La粒子对Cu-xLa加工硬化行为和室温拉伸断裂行为的影响规律。结果表明,微量稀土添加(0.022~0.089wt.%La)金属的第二相强化机制是小颗粒不可变形Cu6La粒子引发的Orowan强化;对多量稀土添加(0.180~0.320wt.%La)金属的第二相强化机制是大颗粒可变形Cu6La粒子位错切过产生的表面能强化。此外,在塑性变形过程中,由于Cu6La与基体之间的相互作用导致Cu-xLa出现了双线性硬化特性。研究确定,经490℃×2h退火后的冷轧80%Cu-0.089La具有最佳的力学性能。 通过导电率测试、热导率测试及电化学实验,研究了稀土La含量对冷变形后热处理Cu-xLa的导电、导热及耐腐蚀性能的影响规律。结果表明,随稀土La含量的增加,Cu-xLa的导电、导热及耐腐蚀性能先增后降,并确定稀土La含量为0.089wt.%的Cu-xLa具有最佳的导电、导热及耐腐蚀性能。 通过热压缩实验,研究了纯铜、Cu-0.089La和Cu-0.180La在应变速率为0.05~50s-1、变形温度为600~750℃,变形量为75%条件下的热变形行为,从流变应力、应变速率和温度的相关性,得出了实验金属热压缩变形时的应力指数n,应力参数α和热变形激活能QDEF。基于压缩实验,建立了纯铜、Cu-0.089La和Cu-0.180La的动态再结晶动力学模型。基于动态材料模型,建立了纯铜、Cu-0.089La和Cu-0.180La的三维热加工图,确定了三种金属最佳的热变形条件,最后发现,稀土La微合金能够抑制金属在高温变形时的组织粗化,而纯铜和Cu-0.089La能够满足在高温高应变速率条件下变形加工。