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等径角挤压Al-Fe合金组织及力学与导电性能研究

摘要

8xxx系电工铝合金（Al-Fe合金）具备高导电率，已在输电线缆中大量使用，然而

强度与导电率的平衡关系导致其较低的强度，制约其在电力传输领域进一步发挥作用。

等径角挤压（ECAP）是一种工艺简单、成本低廉，极具商业潜力的剧烈塑性变形方法，

它通过大量应变的引入，实现材料晶粒细化和强度大幅提升，因此在电工铝合金开发中

备受关注。面向工业应用，尝试使用ECAP技术，开发兼具优异强度和导电率的Al-Fe

合金是有必要的。本论文以商业8176铝合金（Al-Fe合金）为研究对象，采用传统的室

温ECAP和150℃ECAP工艺分别对三种不同合金杆：初始态、均匀态和时效态，进行

加工，对ECAP前后合金的微观组织进行表征，并测试其力学性能和导电性能，研究预

处理组织和ECAP工艺对材料ECAP组织的影响，探究变形加工过程中材料的微观组织

和性能演变规律，揭示Al-Fe合金的强化机制和导电率提升机理，并在此基础上优化

ECAP工艺，获得兼具良好强度和高导电率的Al-Fe合金。

初始态Al-Fe合金组织为一系列几到几十微米宽的带状晶粒，间杂平行排布的（亚）

微米AlFe或AlFe相。8道次ECAP加工后，微观组织经历位错增殖、微米第二相破

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碎回溶和重新分布、纳米相析出和晶粒细化在内的演变过程，形成了包含高密度位错、

纳米析出相、高占比大角度晶界的细晶组织。ECAP过程中，带状的细小晶粒可以有效

促使第二相破碎和Fe回溶，这些过饱和Fe原子加速位错增殖，促进晶粒细化。使得初

始态合金在8道次150℃ECAP后获得了最小的平均晶粒尺寸2.6μm，以及最高的大角

度晶界占比81.3%和平均取向差33.1°。在位错强化、析出相强化和细晶强化的共同作用

下，初始态合金的抗拉强度由125MPa分别提升至室温ECAP后的189MPa和150℃

ECAP后的188MPa，实现了强度的大幅提升。

预处理的均匀态Al-Fe合金组织为平均尺寸为107μm的再结晶晶粒，（亚）微米第

二相于其间平行排布。8道次ECAP加工后，同样形成了细晶组织。ECAP温度的提升

促进ECAP过程中的Fe回溶，这是温度和局部应力集中作用下微米第二相破碎和球化

的结果，使得其在8道次150℃ECAP加工后获得了最高的位错密度4.69×1014m-2，并

因此达到了最高的屈服强度182MPa和抗拉强度195MPa。同时，由于ECAP后回溶Fe

原子、第二相、晶界和位错导致的电阻增加，均匀态合金的导电率出现下降，由

60.5%IACS分别降至室温ECAP后的59.9%IACS和150℃ECAP后的59.7%IACS。

时效处理的时效态Al-Fe合金组织为平均尺寸为123μm的再结晶晶粒，其内有少

量纳米相析出，同时还有（亚）微米第二相于其间平行排布。随ECAP道次增加，大量

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哈尔滨工程大学博士学位论文

位错被引入铝基体，位错不断积累诱发连续动态再结晶，部分区域位错重排形成位错墙

或小角度晶界，小角度晶界合并、吸收位错转变为大角度晶界，使得晶粒持续细化。晶

粒尺寸在1、4、8道次室温ECAP后逐步细化至39.5μm，15.9μm，3.3μm，在1、4、

8道次150℃ECAP后分别细化至70.5μm，7.0μm，3.0μm。时效态合金强度在ECAP

后实现大幅提升，150℃ECAP时效态合金的屈服强度和抗拉强度在8道次分别达到最

大值165MPa和186MPa。定量分析结果表明，在ECAPAl-Fe合金的强度增长中，位

错强化通常贡献最大，其次为析出相强化，最后是细晶强化。时效态合金的导电率

61.5%IACS在8道次ECAP后同样下降。室温ECAP后，其保留了所有8道次试样中最

高的导电率60.9%IACS。理论计算结果表明，不同ECAP工艺，Al-Fe合金的固溶Fe原

子有0.02~0.04at.%的固溶浓度变化，使得电阻率产生1~2nΩ‧m的变化，这是影响等径

角挤压Al