CN105787144A - 一种弹性铜合金的材料设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性铜合金的材料设计方法，属于材料研究方法及技术领域。该方法利用相图计算方法，建立研究体系的热力学模型，进行相平衡计算；利用量子力学第一原理，确定体系的稳定相和相结构，计算研究体系指定成分下的弹性性能；利用多元扩散偶实验方法制备试样，并对试样进行高分辨材料性能扫描测试，获取实验数据；对实验和计算数据进行综合分析和验证，建立研究体系的合金成分、相组成和弹性性能的关联；根据数据结果和数据的关联，进行指定弹性性能的铜合金材料设计。该方法可以快速地获得铜合金的弹性性能与合金成分、相组成的对应关系；与传统设计方法相比，该材料设计方法的目的性更强，减少了人力物力的支出，提高了科学研究的效率。

Description

一种弹性铜合金的材料设计方法

技术领域

本发明涉及一种弹性铜合金的材料设计方法，利用该方法能够高效快捷地获取弹性铜合金的弹性性能与合金成分、相组成的对应关系，进而根据实际对弹性性能的需要，进行弹性铜合金的材料设计，属于材料研究方法及技术领域。

背景技术

铍铜合金被誉为“有色弹性材料之王”，具有优异的弹性、强度、导电、导热、耐蚀等性能，被广泛应用于电子通讯、航空航天、仪表仪器、兵器等工业领域，制作各种高级弹性元件、电子元件和复杂模具。但是，金属铍及其化合物具有毒性，可引起人或动物的急、慢性铍中毒。在铍铜合金材料的加工、使用及回收过程中，潜藏着巨大的危害。研发新型无铍弹性铜合金材料，对于改善生态环境和人的身体健康具有积极意义。

目前，国内外研究学者对这些合金体系开展了比较广泛的探索，但是由于研究方法的局限性，针对无铍新型弹性铜合金的基础理论研究和产品研制存在着一些问题：1.研究的合金体系涉及的合金成分范围较窄，不能系统、准确地找到添加元素对合金组织性能的影响规律；2.难以将用不同研究方法获取的研究成果建立可靠的数据关联，研究成果对实际应用的指导作用有限；3.弹性铜合金材料种类繁多，用传统研究方法难以获得系统全面的实验数据。

为此，避免盲目的“炒菜式”材料设计方法，开发新的弹性铜合金的材料设计方法，高效快捷地获取这些弹性铜合金体系的弹性性能与合金相组成、成分的对应关系，对于弹性铜合金的弹性机理认识和产品研发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于设计新型多元弹性铜合金材料的系统方法，通过该材料设计方法，可以快速地获得铜合金的弹性性能与合金成分、相组成的对应关系，进而针对性地进行期望弹性性能的铜合金的合金设计。与传统材料设计方法相比，该材料设计方法的目的性更强，减少了人力物力的支出，提高了科学研究的效率。用这种方法进行新型弹性铜合金材料的研发和相关机理问题的研究具有很强的实用价值。

一种弹性铜合金的材料设计方法，包括如下步骤：

(1)利用相图计算方法，建立研究体系的热力学模型，进行相平衡计算；

(2)利用量子力学第一原理，确定体系的稳定相和相结构，计算研究体系指定成分下的弹性性能；

(3)利用多元扩散偶实验方法制备试样，并对试样进行高分辨材料性能扫描测试，获取实验数据；

(4)对上述实验和计算数据进行综合分析和验证，建立研究体系的合金成分、相组成和弹性性能的关联；

(5)最后根据数据结果和数据的关联，进行指定弹性性能的铜合金材料设计。

步骤(1)中，根据实验数据，优化所研究铜合金体系的热力学模型参数，其中非凝聚态采用替代模型进行描述，凝聚态采用双亚晶格模型进行描述；利用所建立的热力学模型，计算铜合金体系的合金成分和相应的相组成。

步骤(2)中，利用量子力学第一原理计算合金相的稳定性；采用应力-能量法或应力-应变法计算合金相的弹性常数，进而计算合金的单相弹性模量；然后结合ROM、IROM、Weng模型和相图计算的相比例结果，计算多晶多相的合金弹性模量。

步骤(3)中，制备多元扩散偶，每种金属作为一种扩散元，或用金属间化合物进行替代。多元扩散偶的金属间应达到冶金结合，然后进行足够长时间的时效热处理，使金属界面处发生互扩散，直至达到稳态。利用SEM/EDS、EPMA、EBSD、纳米压痕法等进行高分辨测试，观察多元扩散偶的截面，定量分析扩散元间界面过渡层的组织形貌、显微硬度、弹性模量、相组成和合金成分等。

相图计算、量子力学第一原理计算和多元扩散偶实验研究可同时进行。

步骤(4)中，以相图计算、量子力学第一原理计算和多元扩散偶实验结果分别得到的合金成分、相组成和弹性模量的三种交叉数据，评估各项数据的可靠性，将可靠的数据统一关联。

根据相图计算结果、量子力学第一原理方法计算结果和多元扩散偶实验结果得到的数据包括原子排布、组织形貌、合金成分、相组成、弹性模量和显微硬度等，其中合金成分、相组成和弹性模量是三种方法的交叉数据，通过交叉数据，评估各项数据的可靠性，将可靠的数据统一关联。通过数据关联，形成所研究铜合金体系的原子排布-合金成分-相组成-弹性模量-显微硬度的对应关系，建立弹性铜合金数据库。

步骤(5)中，根据期望弹性性能，在弹性铜合金数据库中找到对应的弹性数据，进而找到对应的铜合金的合金成分、相组成等，依此进行新型弹性铜合金的制备。

本发明首先根据计算结果和文献实验数据，基于热力学理论和CALPHAD相图计算手段，优化所研究的铜合金体系的热力学模型参数，计算合金体系的合金成分和相组成；利用量子力学第一原理方法，确定体系的稳定相和相结构，并结合ROM、IROM模型和Weng计算方法，计算指定成分下的多晶多相弹性模量；采用多元扩散偶实验研究方法，制备所研究的铜合金的多元扩散偶试样，在指定温度下进行足够长时间的时效热处理，达到稳态，通过SEM/EDS、EPMA、EBSD、纳米压痕法等高分辨测试方法，获得多元合金连续成分的合金成分和弹性模量。如图1所示，评估计算结果与实验结果的一致性，得到所研究的多元铜合金体系的合金成分-相组成-弹性性能关系，建立成相应数据库。最后根据数据库，进行指定弹性性能的铜合金的成分和相组成设计。

量子力学第一原理计算、相图计算和“扩散多元节”实验并行进行。通过三种研究方法可以得到数项材料基础数据，其中合金成分和弹性模量可通过多种方法获得，本发明利用了三种研究方法所得数据的交叉特征，以合金成分为各项数据的关联桥梁，以弹性模量数据为关联参考，在一定误差范围内评估关联数据的一致性和可靠性，从而得到各项数据从微观到宏观的有效跨尺度关联。依此研究思路，可以得到弹性铜合金的成分-结构-弹性性能关系，并进一步弹性铜合金的设计。

三种研究方法中，CALPHAD相图计算技术依赖于已有的热力学数据。本发明中，一部分数据来源于文献资料，另一部分依具体情况使用本发明中包括的多元扩散偶实验数据。对于相图计算中固溶体相模型缺失的端基化合物自由能数据，多无法通过实验方法得到，本发明采用第一原理计算，根据化合物的晶体结构和原子排布得到，以求明确其物理意义。对于热力学模型中缺失的金属间化合物相自由能数据，也采用第一原理计算方法得到。

在多元扩散偶样品上获取高分辨实验数据是本发明的关键步骤之一。本发明采用SEM/EDS扫描测试方法获得多元扩散偶不同金属部件界面间的表面形貌变化和元素分布概况，采用EMPA电子探针的测试方法得到多元扩散偶样品上连续的合金成分分布，采用EBSD电子背散射测试方法得到样品上，尤其是金属部件界面附近的合金相分布，采用纳米压痕的测试方法在样品上得到连续的显微硬度和弹性模量的实验数据。

计算铜合金体系的多晶弹性模量是本发明的另一关键步骤。通过第一原理计算可以得到体系的总能量，在体积不变的条件下，拟合总能量的表达式得到晶体微变形量的函数，利用Voigt和Reuss方法拟合函数中的参数得到单晶的弹性常数和杨氏模量。有了单晶弹性常数，接着利用ROM、IROM和Weng模型计算得到各相的多晶模量。计算确定成分的合金弹性模量需要所研究铜合金体系中析出相的相组成数据，利用CALPHAD方法计算得到。

本发明的研究方法采用了先进的高通量材料计算和高通量实验研究手段，易于实现、高效快捷，较传统研究方法，大大节省原材料、实验器材等研究成本，而且节省了大量时间。通过本发明的研究方法可以建立铜合金从微观到宏观的合金成分-相组成-弹性性能的跨尺度关联，进而有的放矢地进行新型弹性铜合金的材料设计。本发明方法完全可以在实验室中进行实施，大大节约铜合金材料研发成本和研发效率。

附图说明

图1为本发明的研究方法流程及原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，本发明涉及的工艺方法及参数包括但不局限于以下实施例。

本发明为一种弹性铜合金的材料设计方法，此研究方法的步骤为：首先采用CALPHAD相图计算手段，计算铜合金体系的合金成分和相组成；利用量子力学第一原理方法，确定体系的稳定相和相结构，计算指定成分下的多晶多相弹性铜合金弹性模量；采用多元扩散偶实验研究方法，制备所研究的铜合金的多元扩散偶试样，在指定温度下进行足够长时间的时效热处理，达到稳态，通过高分辨测试方法，获得多元合金连续成分的合金成分和弹性模量；评估计算结果与实验结果的一致性，根据数据关联得到所研究的多元铜合金体系的合金成分-相组成-弹性性能关系，建立成相应数据库；最后根据数据库，进行指定弹性性能的铜合金的成分和相组成设计。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

(1)相图计算：CALPHAD相图计算步骤首先要搜集公开发表的所研究铜合金体系的热力学实验数据，包括生成焓、熔化热、活度等。根据实验数据，优化所研究铜合金体系的热力学模型参数，其中非凝聚态采用替代模型进行描述，凝聚态采用双亚晶格模型进行描述。利用所建立的热力学模型，计算铜合金体系的合金成分和相应的相组成。

(2)量子力学第一原理计算：该方法利用了第一原理材料计算手段，在计算过程中，要根据所研究的铜合金体系设定合理的计算参数。通过两种手段计算合金相的稳定性：①计算0K(-273.15℃)时合金相的总能量，进而计算合金相的生成焓，通过比较来确定合金相的稳定性和体系的相组成；②计算合金相在一定温度下的自由能，通过比较来确定合金相的稳定性。然后采用应力-能量法或应力-应变法计算合金相的弹性常数，进而计算合金的单相弹性模量。然后结合ROM、IROM、Weng模型和相图计算的相比例结果，计算多晶多相的合金弹性模量。

(3)多元扩散偶实验：根据所研究的合金体系，制备多元扩散偶。每种金属作为一种扩散元，也可用金属间化合物进行替代。多元扩散偶的金属间应达到冶金结合，然后进行足够长时间的时效热处理，使金属界面处发生互扩散，直至达到稳态。利用SEM/EDS、EPMA、EBSD、纳米压痕法等高分辨测试方法，观察多元扩散偶的截面，定量分析扩散元间界面过渡层的组织形貌、显微硬度、弹性模量、相组成和合金成分。

(4)建立数据库：根据图1，步骤(1)-(3)计算结果和实验结果的数据包括了原子排布、组织形貌、合金成分、相组成、弹性模量和显微硬度等，其中合金成分、相组成和弹性模量是三种方法的交叉数据，通过交叉数据，评估各项数据的可靠性，将可靠的数据统一关联，形成所研究铜合金的原子排布-合金成分-相组成-弹性模量-显微硬度的对应关系，从而得到所研究的弹性铜合金体系的成分-结构-弹性性能关系，建立弹性铜合金数据库。

(5)弹性铜合金设计：根据期望弹性性能，在弹性铜合金数据库中找到对应的弹性数据，进而找到对应的铜合金的合金成分、相组成等，依此进行无铍环保新型弹性铜合金的材料设计和制备。

实施例1

目标研究体系为Cu-Ni-Sn弹性铜合金。首先建立Cu-Ni-Sn三元体系的热力学模型，在300℃条件下，通过计算快速得到：

通过量子力学第一原理计算，获得Cu-Ni-Sn体系的稳定相包括：liquid、fcc、bcc、hcp、B2、Cu₃Sn、Cu₄₁Sn₁₁、Cu₆Sn₅、Cu₁₀Sn₃、D019、Ni₃Sn₂、Ni₃Sn₄、Ni₃Sn。结合相图计算结果，计算得到300℃条件下，上表所列四种合金的杨氏模量分别为117GPa、128GPa、122GPa和129GPa。

熔炼纯Cu、纯Ni、Cu-20Sn合金，制备Cu-Ni-Sn多元扩散偶。用真空度为1.2×10^-3Pa的真空石英管密封，分别在300℃热处理700个小时，淬火后取样。采用EPMA、EBSD、纳米压痕法高分辨测试方法对金属界面进行分析得到以下数据：

合金成分(wt.％)	显微硬度(HV)	杨氏模量(GPa)
			Cu-4Ni-2Sn	180	120.2
Cu-9Ni-12Sn	192	127.5
			Cu-6Ni-6Sn	188	124.3
Cu-7Ni-4Sn	202	133.5

以合金成分为关联数据，对比计算的杨氏模量和实验得到的杨氏模量结果，数据基本一致，变化趋势相同，说明数据可靠。建立300℃条件下Cu-Ni-Sn弹性铜合金数据库部分如下：

现在期望获得显微硬度200HV，杨氏模量130GPa的弹性铜合金，根据上述数据库信息，可得应选择成分约Cu-7Ni-4Sn，并使合金的相组成为fcc相和D019相，相分数分别约为0.91和0.09，可以在300℃进行热处理。

实施例2

目标研究体系为Cu-Ti-Sn弹性铜合金。首先建立Cu-Ti-Sn三元体系的热力学模型，在300℃、400℃和500℃条件下，通过计算快速得到：

通过量子力学第一原理计算，获得Cu-Ti-Sn体系的稳定相包括：liquid、fcc、bcc、hcp、B2、Cu₂Ti、Cu₃Sn、Cu₃Ti₂、Cu₄₁Sn₁₁、Cu₄Ti、Cu₄Ti₃、Cu₆Sn₅、Cu₁₀Sn₃、D019、CuTi₃、CuTi、Sn₃Ti₂、Sn₅Ti₆、SnTi₂、Cu₂SnTi、Ti₅Sn₃Cu、CuSnTi。结合相图计算结果，计算得到上表所列12种合金的杨氏模量分别为：300℃条件下，125GPa、147GPa、146GPa和179GPa；400℃条件下，136GPa、120GPa、168GPa和107GPa；500℃条件下，112GPa、115GPa、149GPa和163GPa

熔炼纯Cu、纯Ti、Cu-30Sn合金，制备Cu-Ni-Sn多元扩散偶。用真空度为1.2×10^-3Pa的真空石英管密封，分别在300℃、400℃、500℃均热处理600个小时以上，淬火后备用。采用EPMA、EBSD、纳米压痕法高分辨测试方法对金属界面进行分析得到以下数据：

以合金成分为关联数据，对比计算的杨氏模量和实验得到的杨氏模量结果，数据基本一致，变化趋势相同，说明数据可靠。建立300℃～500℃条件下Cu-Ni-Sn弹性铜合金数据库部分如下：

现在期望获得显微硬度250HV，杨氏模量150GPa的弹性铜合金，根据上述数据库信息，可快速得到应选择成分约Cu-4Ti-13Sn，并使合金的相组成为fcc相和Cu₂SnTi相，相分数分别约为0.78和0.22，可以在300℃进行热处理；或选择成分约Cu-4.5Ti-14Sn，并使合金的相组成为fcc相、Ti₅Sn₃Cu相和Cu₂SnTi相，相分数分别约为0.835、0.075和0.09，可以在500℃进行热处理。

本发明利用相图计算方法，获得弹性铜合金体系的相平衡数据，利用量子力学第一原理方法，确定稳定相并计算研究体系指定成分下的弹性性能，利用多元扩散偶实验方法获取实验数据；通过对计算数据和实验数据的综合分析和验证，建立研究体系的合金成分、相组成和弹性性能的关联，并建立弹性铜合金数据库，用于进行指定弹性性能的铜合金材料设计。通过该材料设计方法，可以快速地获得铜合金的弹性性能与合金成分、相组成的对应关系。与传统材料设计方法相比，该材料设计方法的目的性更强，减少了人力物力的支出，提高了科学研究的效率。

Claims (8)

1.一种弹性铜合金的材料设计方法，包括如下步骤：

(1)利用相图计算方法，建立研究体系的热力学模型，进行相平衡计算；

(2)利用量子力学第一原理，确定体系的稳定相和相结构，计算研究体系指定成分下的弹性性能；

(3)利用多元扩散偶实验方法制备试样，并对试样进行高分辨材料性能扫描测试，获取实验数据；

(4)对上述实验和计算数据进行综合分析和验证，建立研究体系的合金成分、相组成和弹性性能的关联；

(5)最后根据数据结果和数据的关联，进行指定弹性性能的铜合金材料设计。

2.根据权利要求1所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：根据实验数据，优化所研究铜合金体系的热力学模型参数；利用所建立的热力学模型，计算铜合金体系的合金成分和相应的相组成。

3.根据权利要求1所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：利用量子力学第一原理计算合金相的稳定性；采用应力-能量法或应力-应变法计算合金相的弹性常数，进而计算合金的单相弹性模量；然后结合ROM、IROM、Weng模型和相图计算的相比例结果，计算多晶多相的合金弹性模量。

4.根据权利要求1所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：制备多元扩散偶，每种金属作为一种扩散元，或用金属间化合物进行替代；利用SEM/EDS、EPMA、EBSD、纳米压痕法进行高分辨测试，观察多元扩散偶的截面，定量分析扩散元间界面过渡层的组织形貌、显微硬度、弹性模量、相组成和合金成分。

5.根据权利要求1所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：相图计算、量子力学第一原理计算和多元扩散偶实验研究可同时进行。

6.根据权利要求1所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：以相图计算、量子力学第一原理计算和多元扩散偶实验结果分别得到的合金成分、相组成和弹性模量的三种交叉数据，评估各项数据的可靠性，将可靠的数据统一关联。

7.根据权利要求6所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：通过数据关联，形成所研究铜合金体系的原子排布-合金成分-相组成-弹性模量-显微硬度的对应关系，建立弹性铜合金数据库。

8.根据权利要求7所述的弹性铜合金的材料设计方法，其特征在于：根据期望弹性性能，在弹性铜合金数据库中找到对应的弹性数据，进而找到对应的铜合金的合金成分和相组成，依此进行新型弹性铜合金的制备。