通过退火温度控制调控重冷拉Cu-20 wt.% Fe合金微观组织以优化强度与导电性的平衡

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure tuning via annealing temperature control for optimized strength-conductivity trade-off in heavily cold drawn Cu-20 wt.% Fe alloy

　　

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  开发一种新型"HCD-A"热机械工艺路线，用于Cu-20wt.%Fe合金，以实现强度和电导率的平衡。
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  2.使优化后的合金获得卓越的强度-电导率协同效应，超越大多数此前报道的Cu-Fe合金体系。
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  阐明Fe纤维在重度冷拉及后续退火处理过程中的微观结构演变。
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  通过对微观结构的详细表征，对多种强化机制进行定量评估。

引言

随着现代工业向高性能和微型化方向发展，高强度和高电导率已成为先进装备制造领域的核心性能需求。Cu-Fe合金具有由高电导率Cu基体和高强度富Fe相组成的双相结构，在各个领域展现出广阔的应用前景^[1], ^[2]。目前，包括新能源汽车驱动电机引线、航空仪表弹性元件和高压继电器触点在内的关键部件，迫切需要兼具优异强度和良好电导率的材料。这些材料必须能够承受振动和冲击载荷，同时在服役过程中保持稳定的电流传输^[3], ^[4], ^[5]。目前，兼具高强度与理想电导率的合金十分稀缺。尽管Cu-Ag合金能够获得相当良好的力学和电学性能，但其高昂的原材料成本严重限制了大规模工业应用。相比之下，低成本的Cu-Fe合金集成了机械承载和电流传输的双重功能。这些优势使得Cu-Fe合金成为对长使用寿命和稳定运行性能要求较高的核心部件的理想候选材料^[6]。

然而，非平衡凝固导致富Fe相在Cu基体中的分布不均匀，并在两相之间产生了高界面能^[7]。这一缺陷阻碍了合金综合性能的进一步提升，尤其是高强度和高电导率的协同优化。众所周知，强度和电导率在金属材料中是天然相互矛盾的性能。因此，强度的提高往往意味着电导率的下降^[8]。为了突破这一瓶颈，许多学者采用了不同的加工工艺路线来调控Cu-Fe合金的微观结构，以提高其综合性能。

Zhang等人^[9]通过真空烧结结合热轧和冷轧工艺，制备了不同Fe含量（5、10和30wt.%）的Cu-Fe合金。在400°C退火后，含30wt.%Fe的冷轧合金可实现621MPa的抗拉强度和50.2%IACS的电导率。Wang等人^[10]采用双熔体混合铸造结合多级热处理工艺制备了Cu-10wt.%Fe合金，其抗拉强度为608MPa，电导率为58%IACS。Huang等人^[11]通过低温轧制制备了微观结构均匀的Cu-10wt.%Fe合金。材料中的富Fe相经历了逐次纤维化，最终演化为平均尺寸约0.35μm的超细晶。这种结构细化将抗拉强度提高到659MPa，同时保持延伸率为3.1%，电导率为19.3%IACS。我们研究团队此前的研究系统探讨了冷拉制备的高性能Cu-Fe合金丝^[12]。在3.94的真应变下，Cu基体优先沿拉拔方向伸长，而分布在内的纳米级Fe粒子在变形过程中保持了形态稳定性。内部富Fe相和Cu析出相形成了纳米层状结构，Fe纤维之间的平均界面间距约为54nm。最终，合金丝实现了863MPa的抗拉强度和47%IACS的电导率。综上所述，尽管上述研究的Cu-Fe合金在力学和电学性能上有所提升，但仍无法达到卓越的强度水平。这一局限性使其无法满足高强度和电导率平衡的苛刻工程应用需求。

大应变变形引发了合金微观结构中晶粒细化与粗化之间的动态竞争。一方面，重度冷拉会诱导微观结构沿拉拔方向逐步细化，有利于形成纳米级层状结构。另一方面，变形过程中的局部温升和界面能效应可激活动态再结晶和异常晶粒长大，导致部分纤维结构粗化。这些行为极大地限制了强化效果的进一步提升。因此，在不牺牲电导率的前提下，克服晶粒细化极限、提高合金的抗拉强度，并实现多尺度强化微观结构的精确调控，显得尤为紧迫。

然而，此前关于Cu-Fe合金的大多数研究采用的是小至中等变形量结合常规热处理的工艺，未能充分发挥双相微观结构的强化潜力。对于重度冷拉Cu-Fe合金在定制变形后退火条件下的微观结构演变，系统性研究仍然有限。此外，很少有研究实现了致密Fe纳米纤维和退火诱导富Fe析出相的同步形成，从而能够对退火过程中各种强化贡献的演变进行定量评估。因此，在不添加贵金属合金化的前提下，在超高强度水平下实现良好的强度-电导率平衡仍然具有挑战性。这限制了Cu-Fe合金在高负荷导电部件中的实际应用。

为此，本研究采用了"重度冷拉-退火（HCD-A）"组合工艺。Cu-20wt.%Fe合金经多道次冷拉（真应变为5.80，最终直径：0.44mm）后，在400~550°C的温度范围内进行0.5h的等温退火。该工艺路线旨在在Cu基体中构建由高密度纤维状富Fe相和纳米级富Fe析出相组成的多尺度强化微观结构。本研究旨在提高Cu-Fe合金的强度，并获得良好的强度-电导率平衡。实验结果表明，该工艺能有效大幅提升合金强度，同时在高强度水平下仍保持相对良好的电导率。

章节摘要

实验细节

原材料为99.99wt.%高纯阴极电解铜和99.95wt.%工业纯铁，按4:1的质量比混合后在真空感应炉中熔炼。在氩气保护下将熔融合金浇入铜模中，铸造成尺寸约为Φ9×100mm的铸坯。随后，将铸坯热锻成直径为8mm的棒材。经旋锻后，样品在...500°C下退火1h

初始微观结构

Cu-20wt.%Fe合金的初始微观结构如图2(a)所示。该合金由深灰色枝晶状富Fe第二相和灰白色Cu基体组成，其中富Fe相以颗粒状或短棒状颗粒的形式均匀细弥散分布于基体中。进一步的TEM分析表明，微米级（图2b）和纳米级（图2c）的富Fe相均均匀分布于基体中。微米级的尺寸范围为

强化机制

对二元Cu-Fe合金进行了原位复合工艺，通过重度冷拉实现。Cu基体的良好塑性和双相结构的优异协调变形能力使得高强度合金丝的制备成为可能。基于上述对微观组织形貌和力学性能的分析，本节探讨了"HCD-A"工艺后Cu-20wt.%Fe合金丝的强化机制。Chatterjee^[46]提出

结论

通过真空熔炼制备了Fe含量为20wt.%的Cu-Fe二元合金。随后采用"HCD-A"工艺获得了具有卓越综合性能的Cu-20wt.%Fe合金丝。主要结论如下：

• 1.
  Cu-Fe合金是典型的亚稳态不混溶合金，Cu基体中存在两种分别呈微米级和纳米尺度的Fe相。随着冷拉变形量的增加，微米级Fe相由球形颗粒演变为细的

CRediT作者贡献声明

高百青（Baiqing Gao）：资源提供。周雪峰（Xuefeng Zhou）：方法学。方风（Feng Fang）：写作–审阅与编辑。刘吉轩（Jixuan Liu）：写作–初稿撰写。蔡磊（Lei Cai）：资源提供。李波（Bo Li）：形式分析。杨文炎（Wenyan Yang）：软件。杨飞（Fei Yang）：形式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

支持本研究结果的所有原始和处理后的实验数据，均可通过合理请求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会（中国）（编号：52171110和52504406）以及江苏省自然科学基金-青年项目（编号：BK20241353）的资助。

Jixuan Liu|Lei Cai|Bo Li|Wenyan Yang|Fei Yang|Baiqing Gao|Xuefeng Zhou|Feng Fang