【摘要】：Cu-Fe合金由于其較高的強(qiáng)度和低廉的價(jià)格被廣泛應(yīng)用于引線框架、磁體線圈和其它電子元件的制備。然而,Fe在Cu中固溶度相對(duì)較高,同時(shí)其低溫下中的擴(kuò)散速度慢,導(dǎo)致非平衡常規(guī)凝固條件下,Cu基體中存在大量過(guò)飽和Fe原子,引起強(qiáng)烈的雜質(zhì)散射,嚴(yán)重降低Cu合金的電導(dǎo)率。因此,如何促進(jìn)Cu基體中過(guò)飽和固溶Fe原子的析出,優(yōu)化Cu-Fe材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率,一直是Cu-Fe合金研究的熱點(diǎn)。多元合金化是改善Cu-Fe合金時(shí)效析出的有效途徑之一,該方法可通過(guò)加入合金元素提高Cu-Fe合金中固溶Fe原子擴(kuò)散系數(shù)和降低Fe原子平衡固溶度,進(jìn)而促進(jìn)過(guò)飽和Fe原子的析出。為了揭示合金元素的作用機(jī)制及其物理本質(zhì),更加合理的選擇合金化元素,本文采用了基于密度泛函理論的第一原理計(jì)算方法,研究空位與溶質(zhì)原子在Cu基體中的交互作用;合金元素對(duì)Cu基體中固溶Fe原子擴(kuò)散系數(shù)的影響及其作用機(jī)制;合金元素對(duì)Fe原子平衡固溶度的影響及其作用機(jī)制。主要工作和結(jié)論如下:空位與溶質(zhì)原子在Cu基體中的交互作用研究。首次在Cu基體中系統(tǒng)的研究溶質(zhì)原子與空位結(jié)合能,通過(guò)計(jì)算溶質(zhì)原子與空位在最鄰近NN和次鄰近2NN位置的結(jié)合能,闡明了Cu基體中溶質(zhì)原子與空位的交互作用機(jī)制,揭示了合金元素在銅基中的擴(kuò)散能力,為后續(xù)Fe原子擴(kuò)散系數(shù)和平衡固溶度研究奠定了基礎(chǔ)。研究中發(fā)現(xiàn),溶質(zhì)原子-空位結(jié)合能主要是由原子自身體積大小決定的,溶質(zhì)原子結(jié)合能的大小和溶質(zhì)原子體積大體成正比關(guān)系,原因是由于大溶質(zhì)原子產(chǎn)生的晶格畸變可通過(guò)周圍空位緩解。但正比規(guī)律并不適用于過(guò)渡族元素,Cu基體與過(guò)渡族溶質(zhì)原子較強(qiáng)的s-d軌道雜化造成其空位結(jié)合能較低。過(guò)渡族中5種元素V、Cr、Mn、Fe和Co在Cu基體中存在磁矩,磁矩的存在可加強(qiáng)過(guò)渡族原素與空位的結(jié)合能力,磁矩的大小與空位結(jié)合能的增量成正比。Cu基中的溶質(zhì)原子與空位結(jié)合能計(jì)算結(jié)果表明:14種原子B、Si、P、Al、Ge、S、Mg、Ag、Cd、Sn、In、Sb、Zr和Bi在多元合金化中可能加速Fe原子的擴(kuò)散。合金元素對(duì)Cu基體中固溶Fe原子擴(kuò)散系數(shù)的影響及其作用機(jī)制研究�；谏鲜�14種合金元素,計(jì)算合金元素影響下Fe原子擴(kuò)散系數(shù)。計(jì)算首次構(gòu)建了八頻模型對(duì)三元Cu-X-Fe合金中Fe原子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行研究,揭示了合金元素對(duì)固溶Fe原子在Cu基體中擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律及其作用機(jī)制。擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算分為兩部分:1、擴(kuò)散系數(shù)前置因子D_0,研究通過(guò)計(jì)算聲子振動(dòng)頻率獲得熵增,進(jìn)而得到擴(kuò)散系數(shù)前置因子;2、擴(kuò)散激活能Q,通過(guò)計(jì)算空位形成能和擴(kuò)散遷移能獲得,其中擴(kuò)散遷移能計(jì)算引入CINEB方法準(zhǔn)確找到鞍點(diǎn)位置。擴(kuò)散激活能計(jì)算結(jié)果表明,第三元素的原子尺寸與Fe擴(kuò)散激活能成正比。擴(kuò)散系數(shù)D~(Fe)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)9種合金元素B,P,S,Mg,Ag,Cd,In,Sb和Zr能夠在Cu中加速Fe的擴(kuò)散。第三合金元素與Fe原子之間的交互作用和第三元素的尺寸是其影響Fe擴(kuò)散系數(shù)變化的主要原因。合金元素對(duì)Fe原子平衡固溶度的影響及其作用機(jī)制研究。采用第一性原理經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Cu基體中Fe原子平衡固溶度,把固溶度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和電子結(jié)構(gòu)分析有效的結(jié)合,通過(guò)電荷密度、差分電荷密度、局域態(tài)密度和分波態(tài)密度等手段研究第三組元對(duì)Cu-Fe成鍵強(qiáng)度的影響,揭示了合金元素對(duì)固溶Fe原子在Cu基體中平衡固溶度的影響規(guī)律及其作用機(jī)制。固溶度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果表明5種合金元素Ag、Mg、Bi、In、Sn可以降低Fe原子在Cu基體中的固溶度,5種元素與Fe的結(jié)合能都比較弱,Fe-X均小于0.1eV。其原因在于最外層為2p或3p軌道電子的X原子與Fe原子會(huì)形成較強(qiáng)的spd雜化,雜化的效果會(huì)使Fe-X成鍵較強(qiáng)的原子固溶度計(jì)算結(jié)果偏高。差分電荷密度計(jì)算表明,Fe-Cu鍵的成鍵特征表現(xiàn)為共價(jià)鍵,第三組元的加入并不會(huì)改變Fe-Cu共價(jià)鍵類型,但第三組元的加入?yún)s改變了Fe-Cu的成鍵強(qiáng)度,這主要是由于電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的。態(tài)密度計(jì)算中采用局域態(tài)密度和分波態(tài)密度方法,更加準(zhǔn)確和有效的獲得參與成鍵的電子。在局域態(tài)密度的基礎(chǔ)之上,計(jì)算進(jìn)一步采用局域態(tài)密度差值方法得到Fe-Cu共價(jià)鍵中的成鍵態(tài)和反鍵態(tài),通過(guò)成鍵態(tài)電子數(shù)目量化的研究Fe-Cu成鍵強(qiáng)度。態(tài)密度研究表明,Fe-Cu的成鍵態(tài)是由Cu的3d、4s電子和Fe的3d電子組成的,4種元素Ag,Mg,Al,S不但能夠有效的減少Cu-Fe成鍵態(tài)電子數(shù)目,同時(shí)會(huì)造成成鍵態(tài)峰值向激發(fā)態(tài)偏移,使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成鍵強(qiáng)度同時(shí)降低,能夠有效的抑制Fe在Cu基中的固溶度。綜上所述,本文通過(guò)Cu基體中溶質(zhì)原子與空位的結(jié)合能研究,闡明了溶質(zhì)原子與空位的交互作用機(jī)制,揭示了合金元素在銅基中的擴(kuò)散能力,發(fā)現(xiàn)了14種可能加速Fe原子的擴(kuò)散的合金元素;構(gòu)建八頻模型對(duì)三元Cu-X-Fe合金中Fe原子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行研究,揭示了合金元素對(duì)固溶Fe原子在Cu基體中擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律及其作用機(jī)制;采用第一性原理經(jīng)驗(yàn)公式和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究Cu基體中固溶Fe原子平衡固溶度,揭示了合金元素對(duì)固溶Fe原子在Cu基體中平衡固溶度的影響規(guī)律及其作用機(jī)制。該研究?jī)?nèi)容對(duì)高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Fe合金后續(xù)工作的開(kāi)展奠定了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.11
【圖文】：

圖 1-1 Cu-Fe 二元合金相圖[44]Fig. 1-1 Phase diagram of Cu-Fe alloy[44]量不同，Cu-Fe 系合金的研究主要向低和高 Fe 含量?jī)蓚�(gè)方向 含量(低于 2.8%)的引線框架 Cu-Fe 材料；二是高 Fe 含量(5%

-2.3wt.%Fe 和 Cu-2.1wt.%Fe 為主，其中又以 C19400(標(biāo)03P-0.1Zn)合金占據(jù)主要國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。關(guān)于 C19400 合金各項(xiàng)多集中在形變熱處理工藝[45, 46]及添加元素[27, 47]對(duì) Cu-Fe 合性能的影響，但產(chǎn)品性能尚不能完全穩(wěn)定控制，而且不同研差別。Shigenori 等[48]研究了 Cu-Fe 合金不同溫度時(shí)效下的工硬化后續(xù)作用, 抗拉強(qiáng)度在 200~300 MPa 之間。對(duì)于合金Fe 的合金，董琦yN等[49]采用電解銅和工業(yè)純鐵為原料，在并澆鑄合金，并測(cè)試了不同溫度長(zhǎng)期時(shí)效后析出相形貌和合 1-2 所示為 Cu-2.1Fe 合金經(jīng)過(guò) 900℃固溶淬火后在不同溫度時(shí)效曲線。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, Cu-2.1Fe 合金固溶后的硬度 7IACS。合金在 500℃時(shí)效 8 小時(shí)后電導(dǎo)率可達(dá) 60%IACS 以 600℃時(shí)效 120 小時(shí)仍未達(dá)到 60%IACS.

圖 1-3 Cu-Fe 材料鑄態(tài)組織和變形組織[62]Fig. 1-3 The cast and deformation structure of Cu-Fe[62]1.4 加速 Fe 時(shí)效析出的途徑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 董琦yN;申鐳諾;曹峰;賈延琳;汪明樸;;Cu-2.1Fe合金中共格γ-Fe粒子的粗化規(guī)律與強(qiáng)化效果[J];金屬學(xué)報(bào);2014年10期

2 劉瑞蕊;周海濤;周嘯;陸德平;劉克明;彭謙之;彭勇;鐘芳華;;高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年19期

3 劉克明;周海濤;陸德平;Andrej Atrens;鄒晉;陳志寶;謝仕芳;;微量Ag對(duì)形變Cu-Fe原位復(fù)合材料組織和性能的影響[J];材料熱處理學(xué)報(bào);2010年06期

4 左小偉;王恩剛;屈磊;張林;李貴茂;赫冀成;;Cu-Fe合金的強(qiáng)磁場(chǎng)固溶時(shí)效行為[J];材料研究學(xué)報(bào);2009年05期

5 黃華;陳拂曉;劉平;郭俊卿;;軋制變形Cu-10Fe-2Ag-0.15Zr原位復(fù)合材料的組織和性能[J];河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年05期

6 畢莉明;劉平;賈淑果;田保紅;;形變Cu-10Fe-1Ag原位復(fù)合材料的組織和性能[J];熱加工工藝;2009年12期

7 孟永強(qiáng);孫世清;毛磊;劉宗茂;;Cu-Fe-Cr-Ni原位復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能[J];河北科技大學(xué)學(xué)報(bào);2006年04期

8 葛繼平,姚再起,劉書華;合金元素對(duì)形變Cu-Fe原位復(fù)合材料性能的影響[J];材料熱處理學(xué)報(bào);2005年01期

9 陸德平,孫寶德,曾衛(wèi)軍,劉勇,張友亮,謝仕芳;銅基高強(qiáng)高導(dǎo)電材料的研究進(jìn)展[J];機(jī)械工程材料;2004年09期

10 嚴(yán)輝,楊巍,宋雪梅,呂廣宏;第一原理方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2004年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 謝志雄;多元合金化Cu-Fe原位復(fù)合材料的組織和性能研究[D];上海交通大學(xué);2012年

2 武志瑋;纖維復(fù)合Cu-Fe合金的顯微組織及力學(xué)和電學(xué)性能[D];浙江大學(xué);2009年

3 陸德平;高強(qiáng)高導(dǎo)電銅合金研究[D];上海交通大學(xué);2007年

4 高海燕;高強(qiáng)高導(dǎo)形變Cu-Fe-Ag原位復(fù)合材料制備技術(shù)基礎(chǔ)[D];上海交通大學(xué);2007年

5 葛繼平;形變Cu-Fe原位復(fù)合材料[D];大連交通大學(xué);2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王磊;Cu-Fe合金凝固組織性能研究[D];東北大學(xué);2010年

2 程蔭;二元合金脫溶沉淀過(guò)程的微觀相場(chǎng)模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2801734