Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为

赵亚永，张彦敏,b，宋克兴,b

(河南科技大学 a.材料科学与工程学院;b.有色金属共性技术河南省协同创新中心,河南 洛阳 471023)



Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为

赵亚永a，张彦敏a,b，宋克兴a,b

(河南科技大学 a.材料科学与工程学院;b.有色金属共性技术河南省协同创新中心,河南 洛阳 471023)

通过应力松弛试验，研究了Al2O3/Cu弥散强化铜合金在不同温度(室温、100 ℃、200 ℃和300 ℃)下的应力松弛行为。应用二次延迟函数模型拟合了应力松弛曲线，推导了不同温度下材料塑性应变速率与应力的关系。研究结果表明：Al2O3/Cu弥散强化铜合金的应力松弛曲线分为两个阶段。第一阶段，残余应力迅速下降；第二阶段，残余应力缓慢下降，随着时间延长无限接近应力松弛极限，且温度越高，应力松弛极限越低。在室温和100 ℃时，残余应力衰减率分别为30.7%和30.3%；在200 ℃和300 ℃时，残余应力衰减率分别为92.4%和97.3%。因此，该合金材料作为弹性元件时服役温度应小于100 ℃。塑性应变速率与应力关系曲线可以分为高应力和低应力阶段，两个阶段之间存在门槛应力，温度越高，门槛应力越小。门槛应力不同，相应的应力松弛机制也不同，室温和100 ℃时为第二相颗粒增强机制；200 ℃和300 ℃时为位错攀移机制。

Al2O3/Cu弥散强化铜合金；应力松弛；曲线拟合；门槛应力

0　引言

Al2O3/Cu弥散强化铜合金不仅强度高、导电性能好，而且具有良好的抗高温软化、抗电弧侵蚀及抗磨损能力，广泛应用于电气开关触头、高压隔离开关、电阻焊电极、弹性簧片和电气接插件等电气元器件领域。随着电子技术及电力工业的迅速发展，对这类高强高导复合材料的性能要求也越来越高[1-4]。材料在服役时，除了常规的强度和导电率等性能外，其他性能的稳定性也很重要，其中应力松弛是表征其稳定性的重要指标之一。应力松弛是指承受一定初始应力的金属材料，在总变形量不变时，部分弹性变形转变为塑性变形，导致应力逐渐降低的现象。在电气元器件服役过程中，因应力松弛现象使电气接触件之间的接触力下降，从而导致接触面升温、起弧，造成元器件失效，影响正常工作[5-8]。

国内外学者对不同材料的应力松弛行为进行了较深入的研究。文献[9]对应力松弛与蠕变之间的关联性进行了分析比较，证明在较高的温度下应力松弛与蠕变曲线有很好的对应关系。文献[10]根据位错热激活理论，认为在B87C-6弹簧的应力松弛过程中，可动位错在应力作用下发生了移动，直到移动被晶界阻止，松弛才逐渐减缓，进入稳态松弛阶段。文献[11]研究了TC4合金在400 ℃和600 ℃时的应力松弛行为，利用二次延迟函数对应力松弛数据进行了精确拟合，发现应力与应变速率的关系曲线可分为高应力阶段和低应力阶段，两个阶段对应的速率应力指数不同，产生这种现象的原因仍需进一步研究。文献[12-13]通过对铍铜合金带材静态及动态弯曲应力松弛特性进行研究，建立了残余应力与时间及温度参数的关系模型，可以准确地预测铍铜合金的应力松弛行为。但是，目前对于Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为方面的研究还未见相关报道。基于此，本文以Al2O3质量分数为0.68%的Al2O3/Cu弥散强化铜合金为研究对象，对其在不同温度下的应力松弛行为进行了研究。

1　试验材料与方法

试验材料是Al2O3质量分数为0.68%的Al2O3/Cu弥散强化铜合金拉拔态棒材，应力松弛试验采用国家标准GB/T 12120—2013规定的金属材料拉伸应力松弛试验方法[14]，试验设备为日本岛津(SHIMADZUAG-I/250 kN)电子拉伸试验机。为了研究温度对Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为的影响，试验温度分别选取室温、100 ℃、200 ℃和300 ℃，初始应力取相应温度条件下材料屈服极限σ0.2的80%(材料的屈服极限通过标准拉伸试验方法测定)，即相应的初始应力σ0分别为420 MPa、390 MPa、330 MPa和300 MPa。试验时给试样分别加载相应的初始应力，试验过程保持试样应变量恒定，通过电子拉伸试验机测量试样的应力值。当应力发生变化时，记录应力变化值和应力发生变化的时间，最后根据应力随时间变化情况绘制应力松弛曲线。

2　结果与讨论

图1　不同温度下Al2O3/Cu弥散强化铜合金的应力松弛曲线

2.1Al2O3/Cu弥散强化铜合金的应力松弛行为

图1为不同温度条件下测得的Al2O3/Cu弥散强化铜合金的应力松驰曲线。从图1中可以看出：Al2O3/Cu弥散强化铜合金的应力松弛行为符合金属材料应力松弛行为的典型特征。应力松弛行为分为两个阶段：第一阶段，试样的残余应力衰减很快，且温度越高，残余应力衰减速度越大，在3 h时(约占松弛总时间的2.5%)，室温、100 ℃、200 ℃和300 ℃条件下的残余应力衰减率分别达到了19.6%、19.9%、88.4%和90.8%，但随着时间的延长，残余应力衰减速度逐渐减慢；第二阶段，残余应力衰减非常缓慢，衰减速度基本接近于0，残余应力的衰减随着时间延长无限趋近于某一个值，这个值就是应力松弛极限。应力松弛极限是描述材料应力松弛行为的基本参量之一，表达材料应力松弛的最终程度，如果外加应力低于应力松弛极限，则材料不会发生应力松弛行为。

表1　松弛极限时Al2O3/Cu弥散强化铜合金残余应力衰减率随温度变化情况

表1为残余应力达到应力松弛极限时，Al2O3/Cu弥散强化铜合金的残余应力衰减率随温度变化情况。从图1和表1中可以看出：温度是影响Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为的主要因素，温度越高，残余应力衰减率越大，应力松弛极限越低。在室温和100 ℃条件下，材料的应力松弛极限分别为290 MPa和272 MPa，残余应力衰减率分别为30.7%和30.3%；当温度为200 ℃ 和300 ℃时，材料的应力松弛极限迅速降低，分别为 25 MPa 和8 MPa，残余应力衰减率分别达到92.4%和97.3%。这表明温度达到200 ℃时，该合金材料内部的应力基本上完全得到松弛，材料的弹性变形基本上完全转化为永久性的塑性变形。原因是温度越高，晶界滑动、位错滑移和原子扩散越容易，材料应力松弛越容易发生。

2.2残余应力与时间及温度参数关系模型的建立

对于残余应力与时间及温度参数相关的材料应力松弛行为，可以建立数学关系模型进行描述。本文采用二次延迟函数指数模型对Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛曲线进行拟合[15]：

σt=σ(∞)+be-t/τ1+ce-t/τ2，

(1)

其中：σt为残余应力，MPa；t为松弛时间，h；σ(∞)为长时间应力松弛后的残余应力，即应力松弛极限，MPa；b、c、τ1、τ2为与应力松弛曲线形状有关的常数，与材料特性和具体的试验条件有关。表2为Al2O3/Cu 弥散强化铜合金应力松弛曲线拟合常数表，拟合常数由式(1)对试验数据进行拟合得出。由表2可看出：用二次延迟函数拟合的结果与图1中的试验测得的应力松弛曲线具有较高吻合度，不同温度下的拟合优度R2均达到了97%以上。

表2　Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛曲线拟合常数

图2　Al2O3/Cu弥散强化铜合金在不同温度条件下应力松弛速率与时间的关系曲线

图2为Al2O3/Cu弥散强化铜合金在不同温度条件下应力松弛速率与时间的关系曲线。从图2中可以看出：在试验温度条件下，开始阶段的应力松弛速率比较高，但在较短时间内迅速降低，且长时间应力松弛后趋于同一水平，应力松弛速率接近于0。这说明应力松弛现象主要发生在该合金材料应力松弛过程中的前期阶段，随着松弛时间的延长，残余应力基本不再发生变化，应力松弛现象基本停止。温度越高，开始阶段的应力松弛速率也越高(不同温度条件下应力松弛速率分别为665 MPa·h-1、1 093 MPa·h-1、1 310 MPa·h-1和1 541 MPa·h-1)，说明随着温度的升高，材料越容易发生应力松弛，这是由于温度升高将使原子的振动熵增大，发生应力松弛的驱动力增大，材料内部位错滑移和原子扩散变得容易，应力松弛速率加快，应力松弛现象明显。

2.3应力松弛中塑性应变速率与应力的关系

塑性应变速率是衡量应力松弛快慢的重要指标。材料之所以发生应力松弛，是因为材料内部的弹性应变逐渐转变成永久性的塑性应变，根据应力松弛曲线可以给出不同温度下材料的塑性应变速率与应力的关系。在应力松弛过程中，根据应力松弛试验约束条件可知存在如下关系[16]：

εtotal=εe+εp；

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可得出塑性应变速率与应力的关系：

dεp/dt=-dεe/dt=(-1/E)·(dσt/dt)，

(4)

图3　不同温度条件下Al2O3/Cu弥散强化铜合金塑性应变速率与应力的关系曲线

利用式(4)可推导出不同温度下Al2O3/Cu弥散强化铜合金塑性应变速率与应力的关系，如图3所示。从图3中可以看出：不同温度下塑性应变速率与应力关系曲线的形状基本相同，证明存在一个固态变形方程。随着温度的升高，曲线向应力减小的方向发生移动，原因是温度越高，材料的塑性变形抗力越小，松弛过程越容易进行。材料的塑性应变速率与应力的关系曲线可以分为高应力阶段和低应力阶段，这两个应力阶段之间存在一个临界应力，即门槛应力。材料在一定温度和应力共同作用下存在多种塑性变形机制，不同塑性变形机制对应不同的门槛应力[17]，图3中观察到的门槛应力是占主导地位的变形机制对应的门槛应力。文献[18]认为：在塑性应变速率与应力的关系曲线上存在一个门槛应力，即材料在塑性变形过程中，只有当外加应力超过门槛应力时，才会有明显的塑性变形发生。从图3中也可以看出：温度越高，对应的门槛应力越小，材料塑性变形所需要的外加应力也就越小，应力松弛就越容易发生。

材料在热力作用下的塑性变形，可以用塑性应变速率-应力曲线描述塑性应变速率与温度的关系：

dεp/dt=Aσnexp(-Q/RT)，

(5)

若考虑门槛应力σth，式(5)可修改为：

dεp/dt=A(σ-σth)nexp(-Q/RT)；

(6)

n=ln (dεp/dt)/ln σ，

(7)

其中：σ为外加应力，MPa；n为速率应力指数；Q为激活能，kJ/mol；T为温度，K；R为普适常数，R=8.314 J·mol-1·K-1；A为常数；σth为门槛应力，在以位错运动为主要变形机理的变形中，包括晶体点阵对位错运动的阻力以及固溶原子、弥散第二相、多相韧性合金中的相界等对位错运动的阻力，MPa。

利用式(6)可以很好地解释图3中的曲线。式(7)中速率应力指数n的大小可间接反映出材料应力松弛机制[19]：n≈1～2时是扩散控制的松弛；n≈2～4时是位错滑移控制的松弛；n≈4～6时是位错攀移控制的松弛；n>6时是第二相颗粒增强机制。在图3中高应力阶段和低应力阶段的塑性应变速率-应力曲线可分别近似为两条具有不同斜率的直线，高应力阶段的直线斜率即为对应的n值。在室温和100 ℃时，速率应力指数n分别为8.6和7.9，说明此条件下该合金材料应力松弛机制为第二相颗粒增强；在200 ℃和300 ℃时，速率应力指数n分别为4.8和4.7，说明此条件下该合金材料应力松弛机制为位错的攀移。

3　结论

(1)Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛行为分为两个阶段：第一阶段，残余应力衰减很快；第二阶段，残余应力衰减非常缓慢，随着时间延长逐渐趋于平稳，无限接近于应力松弛极限，且温度越高，应力松弛极限越低。

(2)采用二次延迟函数模型σt=σ(∞)+be-t/τ1+ce-t/τ2，可以较精确地拟合Al2O3/Cu弥散强化铜合金应力松弛曲线。

(3)试验温度范围内，在室温和100 ℃时，残余应力衰减率约为30%；而在200 ℃和300 ℃时，残余应力衰减率超过90%，应力基本完全松弛，因此，该合金材料作为弹性元件时的服役温度应在室温和100 ℃之间。

(4)塑性应变速率与应力关系曲线可以分为高应力阶段和低应力阶段，两个阶段之间存在一个门槛应力，温度越高，门槛应力越小。在室温和100 ℃时，该合金材料应力松弛机制为第二相颗粒增强；在200 ℃和300 ℃时，该合金材料应力松弛机制为位错的攀移。

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国家自然科学基金项目(U1502274);河南省高校科技创新团队支持计划基金项目(14IRTSTHN007);河南省国际合作基金项目(162102410025)

赵亚永(1991-),男,河南周口人,硕士生;张彦敏(1970-),女,河南洛阳人,教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为有色金属材料制备及成形技术.

2016-07-04

1672-6871(2017)01-0006-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.002

TG146.1

A