铜业百科 | 铜合金材料的强化途径有哪些？

2023-02-17 09:50:57 来源：知乎号：洛阳晶顺铜业、百度百科

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简介：铜合金(copper alloy )以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色，又称紫铜。常用的铜合金分为黄铜、青铜、白铜3大类。铜合金材料的强化途径有哪些？一起来看看。铜及铜合金通常采用的强化途径有：变形强化、細晶强化、固溶强化、时效析出(沉淀)强化、弥散强化、复合材料强化、添加微量元素。

铜合金(copper alloy )以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色，又称紫铜。常用的铜合金分为黄铜、青铜、白铜3大类。

铜合金材料的强化途径有哪些？一起来看看。

铜及铜合金通常采用的强化途径有：变形强化、細晶强化、固溶强化、时效析出(沉淀)强化、弥散强化、复合材料强化、添加微量元素。

1. 形变强化

形变强化是通过塑性变形使铜合金的强度和硬度得以提高，它是最常用的铜合金强化手段之一。由于冷加工产生的晶体缺陷对材料的导电性影响不大，这种强化方式在提高强度的同时仍使合金具有很高的导电性。形变强化的特点是在材料强度上升的同时，其塑性迅速下降，电导率也会因位错密度的增加而略有下降。另外，当使用温度上升时，材料会发生回复、再结晶过程而软化，而且单一的形变强化使合金的强度提高的幅度有限，所以常和其他强化方式同时使用。

2.細晶强化

細晶强化是在浇铸时采用快速凝固措施或采用热处理手段来获得细小的晶粒，也可以加入某种微量合金元素来细化晶粒。晶粒尺寸减小，合金强度提高，并且对合金的电导率影响不大。所以細晶强化也成为铜合金主要强化手段之一。細晶强化的突出优点是在提高材料强度的同时可以提高材料的塑性。这是由于晶粒細化后，材料变形时晶界处位错塞积所造成的应力集中可以得到有效缓解推迟了裂纹的萌生，材料断裂前可以实现较大的变形量。细化晶粒也正是由于这一优点而得到广泛应用。

3.固溶强化

通过融入某些溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大的缘故。实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高材料的强度、硬度的同时，使其仍然保持相当好的塑性和韧性。例如：向铜中加入19%镍，可使合金的бb由220MPa升高至380~400MPa，硬度由HB44升高至HB70，而塑性仍然保持ψ=50%。若将铜通过其他途径(例如冷变形时的加工硬化)获得同样的强化效果，其塑性将接近完全丧失。固溶强化是利用固溶体中的溶质原子与运动位错相互作用而引起流变应力增加的一种强化方法。在基本中添加适量合金元素形成固溶体，合金的强度一般将得到提高。根据Mott-Nabbaro理论，对于稀薄固溶体，屈服强度随溶质元素浓度的变化可表示为：б=бo+kCm式中，б为合金屈服强度;бo为纯金属屈服强度;C为溶质原子质量浓度;k、m为决定于基体和合金元素的性质的常数，其中m的数值介于0.5~1之间。

4.时效析出(沉淀)强化

时效析出强化的基本原理是，在铜中加入常温下固溶度极小，而高温下固溶度较大的合金元素，通过高温固溶处理，使合金元素在基本中形成过饱和固溶体，此时强度与纯铜相比有所提高。而后通过时效，使过饱和固溶体分解，合金元素以一定形式析出，弥散分布在基本中形成沉淀相。沉淀相能有效地阻止晶界和位错的移动，从而大大提高合金强度。产生析出强化的合金元素应具备以下两个条件：一是高温和低温下在铜中的固溶度相差较大，以便时效时能够产生足够多的强化相;二是室温时在铜中的固溶度极小，以保证基体的高导电性。析出强化是高强度、高导电性铜合金中应用最广泛的强化方法。在铜合金中，为产生时效析出强化效果，而加入的元素有Ti、Co、P、Ni、Si、Mg、Cr、Zr、Be、Fe等。时效析出强化的最大优点是在大幅度提高材料强度的同时，对电导率损害最小。

5.弥散强化

弥散强化是将一定形状和大小的弥散强化相的粉末，于铜粉充分混合后，利用粉末冶金等方法制备的材料。第二相粒子(Al2O3、ThO2、Zro2等)弥散分布于铜基体中，由于弥散强化作用使铜合金的强度得以提高。这种方法在提高强度的同时，对铜的导电性和导热性影响很小。为了在铜基体中获得弥散分布的第二相粒子，可以认为地在铜基体中加入第二相粒子或通过一定的工艺在铜基体中原位生成弥散分布的第二相粒子。其具体的方法有：机械混合法、共沉淀法、内氧化法、反向凝胶析出法、电解沉淀法等。弥散强化的机理主要有奥罗万机理和安塞尔-勒尼尔机理。

(1)奥罗万(Orowan)机理。塑性变形时，位错线不能直接切过第二相粒子，但在外力的作用下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。

(2)(2)安塞尔-勒尼尔机理。安塞尔(G.S.Ansell)等人对弥散强化合金的屈服提出了另外一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服。

6.纤维原位复合强化

这种方法主要是指往铜中加入过量的合金元素(Cr、Fe、V、Nb等)，得到两相复合体，过量元素以单相形式，呈枝晶状结构存在于凝固态合金中。此后对合金进行大变形量拉伸，使合金元素的枝晶状结构转变为纤维结构，纤维的存在使位错运动的阻力增大，从而使材料得到强化。

7.添加微量元素

在基本中加入某些微量元素使之合金化不但可以使合金得到强化，而且对发展耐磨蚀材料也是一种有效手段。这些微量元素有的通过形成弥散相，有的通过净化基体组织而对合金起强化作用，但均不明显降低其耐蚀性，从而起到了提高合金综合性能的目的。

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