服役环境下Cu-Cr-Zr合金的损伤行为及机制

Cu-Cr-Zr合金是广泛应用于高温条件下的高强、高导（导热、导电）型铜合金，其服役环境下的损伤行为及机制是该合金急需解决的关键科学问题。.本项目拟对Cu-Cr-Zr合金开展室温至高温(400℃)、应力控制（服役环境）下疲劳、蠕变及其交互作用的试验研究。建立疲劳、蠕变及其交互作用的断裂特征图和应力应变关系曲线，探讨疲劳、蠕变及其交互作用与温度、应力、晶粒尺寸、析出相等主要影响因素的依赖关系和相互转换规律。通过显微观察，分析Cu-Cr-Zr合金在服役环境下疲劳、蠕变及其交互作用的断口形貌特征和破坏类型；揭示高温应力控制模式下疲劳区（F）、蠕变区（C）及疲劳蠕变交互作用区（FC）的断裂机理；从热力学定律出发，建立疲劳、蠕变及其交互作用下的寿命预测模型；基于连续损伤力学(CDM)，对损伤进程进行研究，建立疲劳、蠕变以及疲劳一蠕变交互作用的损伤模型，对Cu-Cr-Zr合金服役环境下的失效进行评定。

本项目通过固溶时效、冷轧时效、ECAP冷变形时效工艺优化，制备出具有不同组织性能的Cu-Cr-Zr合金。系统地考察了不同制备态Cu-Cr-Zr合金室温至高温(600℃)的热压缩和热拉伸性能。采用应力控制，测定Cu-Cr-Zr合金疲劳、蠕变及其交互作用的寿命和应变，探讨疲劳、蠕变及其交互作用与温度、应力、晶粒尺寸、析出相等主要影响因素的依赖关系和相互转换规律。分析Cu-Cr-Zr合金在服役环境下疲劳、蠕变及其交互作用的断口组织变化、断口形貌特征和破坏类型，揭示疲劳蠕变交互作用的断裂机理，对Cu-Cr-Zr合金服役环境下的失效进行评定。.研究结果表明：Cu-Cr-Zr合金固溶后分别经过时效、冷轧+时效和ECAP+时效三种状态处理后，晶粒尺寸分别为80μm、 20μm和~300nm超细晶，抗拉强度和伸长率分别为362.5MPa和11.3%、515.4MPa和13.3%、623.1MPa和12.3%。温度、晶粒大小的不同组合下的Cu-Cr-Zr合金呈现复杂的拉伸行为，从室温到300℃时，固溶时效态Cu-Cr-Zr合金稳定性优于冷轧+时效和ECAP+时效Cu-Cr-Zr合金；当温度高于300℃时，超细晶Cu-Cr-Zr合金抗拉强度急剧下降，延伸率也增大，600℃时合金的抗拉强度仅为65.2MPa，与室温强度相比下降了560MPa，延伸率为162.04%，表现出超塑性。随温度升高，固溶+时效Cu-Cr-Zr合金金的疲劳性能降低，室温疲劳性能最好；冷变形后时效Cu-Cr-Zr合金在300℃时疲劳性能最好，超细晶Cu-Cr-Zr合金在400℃时疲劳性能最低；从微观组织分析可知室温下位错运动的阻力较大，位错运动主要是以滑移为主，高温条件下，位错运动需要克服的能垒降低，位错发生缠绕和攀移，同时在晶界处出现位错堆积，导致晶界的变形程度增加，断口以穿晶断裂为主。在疲劳蠕变交互作用时，Cu-Cr-Zr合金寿命大大降低，随着应力幅、保压时间的增加，每个循环的塑性应变量增加，疲劳蠕变寿命降低；当疲劳蠕变发生交互作用时，循环蠕变造成的损伤断口上分布着很多韧窝和蠕变孔洞，疲劳引起的晶内塑性延性耗竭和蠕变引起的晶界蠕变延性耗竭相互促进，加速材料的破坏进程，从而导致材料过早发生断裂。

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