The effect of chromium and zirconium alloying on the structure and properties of submicrocrystalline copper alloys obtained by dynamic channel-angular pressing

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper investigates the evolution of the structure and properties of low-alloy dispersion-hardening alloys based on Cu–Zr, Cu–Cr, and Cu–Cr–Zr systems under high-speed deformation (~105 s-1) by dynamic channel angular pressing (DCAP) and subsequent annealing (aging) at 200–700°C. The effect of alloying with microadditives Cr (0.09–0.22%) and Zr (0.04–0.20%) in achieving high hardness of copper with a submicrocrystalline structure obtained by DCAP was studied. The effect of ECAP and subsequent aging on the electrical conductivity of alloys is studied. The sequence of decomposition processes of a copper–based α-solid solution with the precipitation of nanoscale particles of the second phases and recrystallization is determined. It is shown that the role of zirconium is due to the precipitation of Cu5Zr phase nanoparticles during DCAP and subsequent annealing on dislocations and sub-boundaries, their fixation, and reduced mobility, as a result, the process of formation of recrystallization centers slows down, which requires rearrangment (restructuring) of the dislocation structure.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. V. Khomskaya

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: khomskaya@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

V. I. Zel’dovich

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: khomskaya@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

D. N. Abdullina

Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: khomskaya@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108

E. V. Shorokhov

Russian Federal Nuclear Center–Zababakhin All-Russian Research Institute of Technical Physics

Email: khomskaya@imp.uran.ru
Russian Federation, Snezhinsk, Chelyabinsk region, 456770

References

  1. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: справочник. М.: Машиностроение, 2004. 336 с.
  2. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия, 1978. 96 с.
  3. Беляева А.И., Коленов И.В., Савченко А.А., Галуза А.А., Аксенов Д.А., Рааб Г.И., Фаизова С.Н., Войценя В.С., Коновалов В.Г., Рыжков И.В., Скорик О.А., Солодовченко С.И., Бардамид А.Ф. Влияние размера зерна на стойкость к ионному распылению зеркал из низколегированного медного сплава системы Cu–Cr–Zr // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2011. Вып. 4. С. 50–59.
  4. Исламгалиев Р.К., Нестеров К.М., Валиев Р.З. Структура, прочность и электропроводность медного сплава системы Cu-Cr, подвергнутого интенсивной пластической деформации // ФММ. 2015. Т. 116. № 2. С. 219–228.
  5. Vinogradov A., Patlan V., Suzuki Y., Kitagawa K., Kopylov V.I. Structure and properties of ultra-fine grain Cu–Cr–Zr alloy produced by equal channel angular pressing //Acta Mater. 2002. V.50. P. 1639–1651.
  6. Wongsa-Ngam J., Kawasaki M., Langdon T.G. The development of hardness homogeneity in a Cu–Zr alloy processed by equal-channel angular pressing // Mater. Sci. Eng. A. 2012. V. 556. P. 526–532.
  7. Dobatkin S.V., Shangina D.V., Bochvar N.R., Janechek M. Effect of deformation schedules and initial states on structure and properties of Cu-0.18 Zr alloys after high-pressure torsion and heating // Mater. Sci. Eng. A. 2014. V. 598. P. 288–292.
  8. Zhang S., Li R., Kang H. A high strength and high electrical conductivity Cu-Cr-Zr alloy fabricated by cryorolling and intermediate aging treatment //Mater. Sci. Eng. A. 2016. V. 680. P. 108–114.
  9. Zhilyaev A.P., Morozova A., Cabrera J.M., Kaibyshev R., Langdon T.G. Wear resistance and electroconductivity in a Cu-0.3Cr-0.5Zr alloy processed by ECAP // J. Mater. Sci. 2017. V. 52. P. 305–313.
  10. Shangina D., Maksimenkova Yu., Bochvar N., Serebryany V., Raab G., Vinogradov A., Skrotzki W., Dobatkin S. Influence of alloying with hafnium on the microstructure, texture and properties of Cu–Cr alloy after equal channel angular pressing // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. P. 5493–5501.
  11. Purcek G., Yanar H., Shangina D.V., Demirtas M., Bochvar N.R., Dobatkin S.V. Influence of high pressure torsion-induced grain refinement and subsequent aging on tribological properties of Cu–Cr–Zr alloy // J. Alloys Compounds. 2018. V. 742. P. 325–333.
  12. Guo T.B., Qian D.C., Huang D.W., Wang J.J., Li K.Z., and Ling D.K. A High Strength and High Conductivity Cu-0.4Cr-0.3Zr Alloy Prepared by Cryo-ECAP and Heat Treatment //Phys. Met. Metal. 2022. V. 123. № 14. P. 1537–1547.
  13. Пат. № 2283717 РФ Способ динамической обработки материалов / Е.В. Шорохов, И.Н. Жгилев, Р.З. Валиев. БИ. 2006. № 26. С. 64.
  14. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ Академкнига, 2007. 398 с.
  15. Langdon T.G. Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional propertiesthough grain refintment //Acta Mater. 2013. V. 61. P. 7035–7059.
  16. Шоpохов Е.В., Жгилев И.Н., Хомская И.В., Бpодова И.Г., Зельдович В.И., Гундеpов Д.В., Фpолова Н.Ю., Гуpов А.А., Оглезнева Н.П., Шиpинкина И.Г., Хейфец А.Э., Астафьев В.В. Высокоскоростное деформирование металлических материалов методом канально-углового прессования для получения ультрамелкозернистой структуры // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 2. С. 36–41.
  17. Зельдович В.И., Шорохов Е.В., Фролова Н.Ю., Жгилев И.Н, Хейфец А.Э., Хомская И.В., Гундырев В.М. Высокоскоростная деформация титана при динамическом канально-угловом прессовании // ФММ. 2008. Т. 105. № 4. С. 431–437.
  18. Бродова И.Г., Шорохов Е.В., Ширинкина И.Г., Жгилев И.Н., Яблонских Т.И., Астафьев В.В., Антонова О.В. Эволюция структурообразования в процессе динамического прессования сплава АМц // ФММ. 2008. Т. 105. № 6. С. 630–637.
  19. Попов В.В., Попова Е.Н., Столбовский А.В., Фалахутдинов Р.М., Мурзинова С.А., Шорохов Е.В., Гаан К.В. Влияние исходной обработки на структуру гафниевой бронзы при высокоскоростном прессовании //ФММ. 2020. Т. 121. № 5. С. 501–508.
  20. Хомская И.В., Зельдович В.И., Шорохов Е.В., Фролова Н.Ю., Жгилев И.Н., Хейфец А.Э. Особенности формирования структуры в меди при динамическом канально-угловом прессовании // ФММ. 2008. Т. 105. № 6. С. 621–629.
  21. Хомская И.В., Шорохов Е.В., Зельдович В.И., Хейфец А.Э., Фролова Н.Ю. Структура и свойства субмикрокристаллической и нанокристаллической меди, полученной методом канально-углового прессования // Металлы. 2012. № 6. С. 56–62.
  22. Зельдович В.И., Хомская И.В., Фролова Н.Ю., Хейфец А.Э., Шорохов Е.В., Носонов П.А. Структура хромоциркониевой бронзы, подвергнутой динамическому канально-угловому прессованию и старению // ФММ. 2013. Т. 114. № 5. С. 449–456.
  23. Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Frolova N. Yu., Kheifets A.E., Shorokhov E.V., Abdullina D.N. Effect of highspeed dynamic channel angular pressing and aging on the microstructure and properties of Cu–Cr–Zr alloys // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. V. 447. P. 012007–012012.
  24. Хейфец А.Э., Хомская И.В., Коршунов Л.Г., Зельдович В.И., Фролова Н.Ю. Влияние высокоскоростной деформации и температуры старения на эволюцию структуры, микротвердость и износостойкость низколегированного сплава Cu–Cr–Zr // ФММ. 2018. Т. 119. № 4. С. 423–432.
  25. Khomskaya I.V., Zel’dovich V.I., Frolova N. Yu., Abdullina D.N., Kheifets A.E. Investigation of Cu5Zr particles precipitation in Cu–Zr and Cu–Cr–Zr alloys subject ed to quenching and high strain rate deformation // Letters Mater. 2019. V. 9. № 4. P. 400–404.
  26. Хомская И.В., Зельдович В.И., Хейфец А.Э., Фролова Н.Ю., Дякина В.П., Казанцев В.А. Эволюция структуры при нагреве субмикрокристаллической и нанокристаллической меди, полученной высокоскоростным деформированием // ФММ. 2011. Т. 111. № 4. С. 383–390.
  27. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: МИСиС, 2005. 432 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Microstructure of Cu–0.21%Cr–0.20%Zr (a), Cu–0.06%Zr (b) and Cu–0.22%Cr (c) alloys after DCAP; b, c – bright-field images and a – dark-field image in the 002Cu reflection.

Download (37KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Structure of Cu–0.21%Cr–0.20%Zr (a), Cu–0.06%Zr (b, c) and Cu–0.14%Cr–0.04%Zr (d) alloys after DCAP and annealing (aging) at: a, b – 400°C, 4 h; c – 550°C, 1 h and d – 600°C, 1 h; a, c, d – bright-field images and b – dark-field image in reflections 002Cu and 311Cu5Zr.

Download (46KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Microstructure of the Cu–0.21%Cr–0.20%Zr alloy after DCAP and annealing at 700°C for 1 h (a) and micro-X-ray spectral analysis of a globular Cu5Zr particle (b).

Download (36KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Structure of Cu–0.22%Cr alloy after DCAP and annealing (aging) at: a – 400; b – 600°C, 1 h; a – bright-field and b – dark-field images.

Download (20KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the microhardness of copper alloys subjected to DCAP on the annealing (aging) temperature, holding for 1 hour: 1 – Cu–0.21%Cr–0.20 %Zr; 2 – Cu–0.06%Zr; 3 – Cu–0.22%Cr; 4 – Cu.

Download (18KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the microhardness of copper alloys in the initial CC (after quenching from 1000°C) state (1) and in the SMC (after DCAP) state (2) on the annealing (aging) temperature, holding for 1 h: a – Cu–0.22% Cr; b – Cu–0.21% Cr–0.20% Zr; c – Cu–0.06% Zr.

Download (45KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Effect of aging temperature on the electrical conductivity of Cu–0.21%Cr–0.20Zr alloy after quenching from 1000°C (1) and DKUP (2).

Download (13KB)
Indexing metadata