Микроструктура и механические характеристики композитов Cu-Cu2O, изготовленных методом горячего прессования медного порошка

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты изучения микроструктуры и механических характеристик композиционного материала Cu-Cu2O. Образцы отобраны от медных электроконтактов для электрических сварочных аппаратов. Электроконтакты изготовлены методом горячего прессования порошка меди ПМС-1 в условиях ОАО «Уралэлектромедь». Микроструктура изучалась методами растровой электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. Механические характеристики определялись методом наноиндентирования по оригинальной методике авторов, предусматривающей преобразование диаграммы вдавливанияF(h) в диаграмму растяженияσ(ε). Металлографические исследования материала показали малый размер зерна (~10 мкм); содержание включений куприта Cu2O размером ~1 мкм гранной морфологии было близко к 20%. Получен следующий результат измерения механических характеристик: модуль ЮнгаE= 119,89±5,75 ГПа, нанотвердость HIT= 2,28±0,15 ГПа; упругое восстановление материалаR= 5,54±2,33%; характеристика пластичностиδА= 94,46±2,33%; предел текучестиσт≈ 600 МПа. Оценка механических напряжений из-за двухфазности композиционного материала Cu-Cu2O показала, что дополнительное давление, отнесенное к длине линии разрыва, примерно в 50 раз превышает внешнее усилие, т.е. может служить основной причиной выхода изделий из строя.

Об авторах

Г. А Ткачук

Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Екатеринбург

В. А Мальцев

Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Екатеринбург

О. А Чикова

Уральский федеральный университет имени Первого Президента России Б.Н. Ельцина; Уральский государственный горный университет

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Екатеринбург; Екатеринбург

Список литературы

  1. Ловшенко, Ф.И. Повышение электропроводности дисперсно-упрочненной меди / Ф.И. Ловшенко, А.И. Хабибуллин // Литье и металлургия. 2019. №4. С.115–122. – (Lovshenko, F.G. Increased electrical conductivity dispersion-hardened copper / F.G. Lovshenko, A.I. Khabibulin // Foundory production and metallurgy. 2019. V.4. P.115–122.)
  2. Гнесин, Г.Г. Спеченные материалы для электротехники и электроники: справочник / Г.Г. Гнесин, В.А. Дубок, Г.Н. Братерская [и др.]; под ред. Г.Г. Гнесина. – М.: Металлургия, 1981. 343 с. – (Gnesin, G.G.
Sintered materials for electrical engineering and electronics : handbook / ed. G.G. Gnesin [et al.] – Moscow : Metallurgy, 1981. 343 p.)
  3. Раховский, В.И. Разрывные контакты электрических аппаратов / В.И. Раховский, Г.В. Левченко, О.К. Теодорович; под общ. ред. В.И. Раховского. – М.; Л.: Энергия, 1966. 295 с. – (Rakhovsky, V.I. Breaking contacts of electrical devices / V.I. Rakhovsky, G.V. Levchenko, O.K. Teodorovich. – Moscow : Energy, 1966. 295 p.)
  4. Braunovic, M. Electrical contacts : fundamentals, applications and technology; 1st ed. / M. Braunovic, N.K. Myshkin, V.V. Konchits. – CRC Press, 2007. 672 p. https://doi.org/10.1201/9780849391088
  5. Bukhanovskii, V.V. The effect of temperature on mechanical characteristics of copper-carbonic composite / V.V. Bukhanovskii, I. Mamuzić, N.P. Rudnitsky // Kovove Materialy (Metallic Materials). 2008. V.46. P.33–37.
  6. Bukhanovsky, V. Microlayered composite materials on basis of copper, refractory, rare-earth metals, and carbon for electrical contacts and electrodes / V. Bukhanovsky, M. Rudnytsky, I. Mamuzich // Intern. J. Nonferrous Metallurgy. 2014. V.3. P.18–27. DOI : 10.4236/ijnm.2014.32003.
  7. Фетисов, А.В. Анализ электронных состояний оксидного слоя на поверхности ультрадисперсной меди методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / А.В. Фетисов, М.В. Кузнецов // Журн. прикладной спектроскопии. 2009. Т.76. №4. С.552–556. – (Fetisov, A.V. Analysis of the electronic states of the oxide layer on the surface of ultradispersed copper by X-ray photoelectron spectroscopy / A.V. Fetisov, M.V. Kuznetsov // J. Appl. Spectroscopy. 2009. V.76. №4. P.552–556.)
  8. Gordeev, Y.I. Prospects of nanoparticle application in contact materials of urban electric transport / Y.I. Gordeev, G.M. Zeer, E.G. Zelenkova [et al.] // Russian J. Non-Ferrous Metals. 2012. V.53(4). P.351–355. DOI : 10.3103/S1067821212030091.
  9. Zeer, G.M. Microstructure and properties of an electrocontact Cu-(ZnO/TiO2) material / G.M. Zeer, E.G. Zelenkova, V.V. Beletskii [et al.] // Tech. Physics. 2015. V.60. №12. P.1823–1828. DOI : 10.1134/S1063784215120270.
  10. Zhang, X. Thermal deformation behavior of the Al2O3-Cu/(W, Cr) electrical contacts / X. Zhang, Y. Zhang, B. Tian [et al.] // Vacuum. 2019. V.164. P.361–366. DOI : 10.1016/j.vacuum.2019.03.054.
  11. Loginov, Y.N. Interaction of a copper oxide particle with copper in drawing / Y.N. Loginov, S.L. Demakov, A.G. Illarionov, M.A. Ivanova // Russian Metallurgy (Metally). 2012. №11. P.947–953. DOI : 10.1134/S0036029512110109.
  12. Abedi, M. A critical review on spark plasma sintering of copper and its alloys / M. Abedi, A. Asadi, S. Vorotilo [et al.] // J. Mater. Sci. 2021. V.56. P.19739–19766. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06556-z
  13. Cipolloni, G. Contamination during the high-energy milling of atomized copper powder and its effects on spark plasma sintering / G. Cipolloni, M. Pellizzari, A. Molinari [et al.] // Powder Technol. 2015. V.275. P.51–59. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.01.063
  14. Menapace, C. Spark plasma sintering behaviour of copper powders having different particle sizes and oxygen contents / C. Menapace, G. Cipolloni, M. Hebda, G. Ischia // Powder Technol. 2016. V.291. P.170–177. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.12.020
  15. Diouf, S. Spark plasma sintering of cryomilled copper powder / S. Diouf, C. Menapace, M. D’Incau [et al.] // Powder Metall. 2013. V.56(5). P.420–426. https://doi.org/10.1179/1743290113y.0000000065
  16. Monnier, J. Spark plasma sintering and hydrogen pre-annealing of copper nanopowder / J. Monnier, Y. Champion, L. Perriere [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2015. V.621. P.61–67. DOI : 10.1016/j.msea.2014.10.040.
  17. Wen, H.M. The influence of oxygen and nitrogen contamination on the densification behavior of cryomilled copper powders during spark plasma sintering / H.M. Wen, Y.H. Zhao, Z.H. Zhang [et al.] // J. Mater. Sci. 2011. V.46(9). P.3006–3012. https://doi.org/10.1007/s10853-010-5178-9
  18. Portier, R.A. Spark plasma sintering of Cu-Al-Ni shape memory alloy / R.A. Portier, P. Ochin, A. Pasko [et al.] // J. Alloys Comp. 2013. V.577. P.S472–S477. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.145
  19. Kossman, S. A new approach of the Oliver and Pharr model to fit the unloading curve from instrumented indentation testing / S. Kossman, T. Coorevits, A. Iost, D. Chicot // J. Mater. Res. 2017. V.32. №12. P.2230–2240. DOI : 10.1557/jmr.2017.120.
  20. Kossman, S. Mechanical characterization by multiscale instrumented indentation of highly heterogeneous materials for braking applications / S. Kossman, A. Iost, D. Chicot [et al.] // J. Mater. Sci. 2019. V.54. №6. P.4647–4670. DOI : 10.1007/s10853-018-3158-7.
  21. Čech, J. Statistical approach for identification of mechanical properties of individual phases based on indentation data / J. Čech, P. Haušild, A. Materna, J. Matějíček // Materiaux et Techniques. 2017. V.105. №1. P.105 https://doi.org/10.1051/mattech/2016041
  22. Haušild, P. Some issues in relations between microstructure and indentation measurements / P. Haušild, A. Materna, L. Kocmanová, J. Matějíček // Solid State Phenomena. 2017. V.258. P.131–136. DOI : 10.4028/www.scientific.net/SSP.258.131.
  23. Kocmanová, L. Investigation of indentation parameters near the interface between two materials / L. Kocmanová, P. Haušild, A. Materna, J. Matějíček // Key Eng. Mater. 2015. V.662. P.31–34. DOI : 10.4028/www.scientific.net/KEM.662.31.
  24. Chikova, O.A. Measuring the nanohardness of commercial submicrocrystalline aluminum alloys produced by dynamic pressing / O.A. Chikova, E.V. Shishkina, A.N. Petrova, I.G. Brodova // Phys. Metals Metallography. 2014. V.115(5). P.523–528. DOI : 10.1134/S0031918X14050044.
  25. Oliver, W.C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // J. Mater. Res. 1992. V.7. P.1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  26. Орешко, Е.И. Исследование пластической деформации металла методом индентирования / Е.И. Орешко, Н.О. Яковлев, В.С. Ерасов, Д.А. Уткин // Зав. лаб. Диагностика материалов. 2022. T.88(2). C.64–70. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-2-64-70 – (Oreshko, E.I. Study of the plastic deformation of metals by indentation method / E.I. Oreshko, N.O. Yakovlev, V.S. Erasov, D.A. Utkin // Indust. Lab. Diagnostics of Mater. 2022. V.88(2). P.64–70. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-2-64-70)
  27. Булычев, С.И. Новые параметры подобия при переходе от диаграмм вдавливания к диаграммам растяжения / С.И Булычев., А.Н. Кравченков // Зав. лаб. Диагностика материалов. 2014. Т.80. №2. С.49–54. – (Bulychev, S.I. New similarity parameters in transition from indentation diagrams to tensile diagrams / S.I. Bulychev, A.N. Kravchenkov // Indust. Lab. Diagnostics of Mater. 2014. V.80. №2. P.49–54.)
  28. Matyunin, V.M. Converting the instrumented indentation diagrams of a dall indenter into the stress–strain curves for metallic structural materials / V.M. Matyunin, A.Y. Marchenkov, P.V. Volkov [et al.] // Inorg. Mater. 2023. V.59. P.1515–1523. https://doi.org/10.1134/S0020168523150116
  29. Butt, H.-J. Force measurements with the atomic force microscope : Technique, interpretation, and applications / H.-J. Butt, B. Cappella, M. Kapp // Surface Sci. Reports. 2005. V.59(1–6). P.1–152. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2005.08.003
  30. Ritasalo, R. Spark plasma sintering of submicron-sized Cu-powder-Influence of processing parameters and powder oxidization on microstructure and mechanical properties / R. Ritasalo, M.E. Cura, X.W. Liu [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2010. V.527. №10–11. P.2733–2737. DOI : 10.1016/j.msea.2010.01.008.
  31. Ritasalo, R. Microstructural and mechanical characteristics of Cu-Cu2O composites compacted with pulsed electric current sintering and hot isostatic pressing / R. Ritasalo, M.E. Cura, X.W. Liu [et al.] // Composites. Pt.A : Appl. Sci. Manufacturing. 2013. V.45. P.61–69. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.09.003
  32. Horrigan, V.M. The solubility of oxygen in solid copper / V.M. Horrigan // Met. Trans. A. 1977. V.8. P.785–787. https://doi.org/10.1007/BF02664788
  33. Zhang, Z.H. Ultrafine-grained copper prepared by spark plasma sintering process / Z.H. Zhang, F.C. Wang, L. Wang, S.K. Li // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V.476 (1–2). P.201–205. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.04.107
  34. Rohrer Gregory S. Introduction to grains, phases, and interfaces–an interpretation of microstructure / Rohrer Gregory S. // Trans. AIME. 1948. V.175. P.15–51. by C.S. Smith. Met. Mater. Trans. A. 2010. V.41(5). P.1063–1100. DOI : 10.1007/s11661-010-0215-5.
  35. Akbarpour, M.R. Fabrication, characterization and mechanical properties of hybrid composites of copper using nanoparticulates of SiC and carbon nanotubes / M.R. Akbarpour, E. Salahi, F.A. Hesari [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2013. V.572. P.83–90. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.01.01
  36. Tian, B. Microstructure and properties at elevated temperature of a nano-Al2O3 particles dispersion strengthened copper base composite / B. Tian, P. Liu, K. Song [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2006. V.435–436. P.705–710. DOI : 10.1016/j.msea.2006.07.129.
  37. Zheng, Y.G. Model-based simulation of normal grain growth in a two-phase nanostructured system / Y.G. Zheng, C. Lu, Y-W. Mai [et al.] // Sci. Tech. Adv. Mater. 2006. V.7. P.812–818. DOI : 10.1002/adma.201104714.
  38. Fan, D. Numerical simulation of Zener pinning with growing second-phase particles / D. Fan, L-Q. Chen, S-P.P. Chen // J. Amer. Ceramic Soc. 1998. V.81(3). P.526–532. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02370.x
  39. El-Khozondar, R. Microstructural simulation of grain growth in two-phase polycrystalline materials / R. El-Khozondar, H. El-Kohonzar, G. Gottstein, A.Rollet // Egyptian J. Solids. 2006. V.29 (1). P.35–47.
  40. Solomatov, V.S. Grain size in the lower mantle: constraints from numerical modeling of grain growth in two-phase systems / V.S. Solomatov, El- R. Khozondar, V. Tikare // Phys. Earth and Planetary Interiors. 2002. V.129. P.265–282. DOI : 10.1016/S0031-9201(01)00295-3.
  41. Flores, E. Effect of clustering of precipitates on grain growth / E. Flores, J.M. Cabrera, J.M. Prado // Met. Mater. Trans. A. 2004. V.35. P.1097–1103. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0035-6
  42. Srivatsan, T.S. Microstructure and hardness of copper powders consolidated by plasma pressure compaction / T.S. Srivatsan, B.G. Ravi, A.S. Naruka [et al.] // J. Mater. Eng. Perform. 2001. V.10(4). P.449–455. DOI : 10.1361/105994901770344872.
  43. Das, D. Mechanical properties of bulk ultra fine-grained copper / D. Das, A. Samanta, P.P. Chattopadhyay // Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal Chemistry. 2006. V.36(2). P.221–225. https://doi.org/10.1080/15533170500524769
  44. Han, Z. Dry sliding tribological behavior of nanocrystalline and conventional polycrystalline copper / Z. Han, L. Lu, K. Lu // Tribology Lett. 2006. V.21. P.47–52. DOI : 10.1007/s11249-005-9007-2.
  45. Tkachuk, G.A. Investigation into the microstructure and mechanical properties in submicrovolumes of LS591-A brass / G.A. Tkachuk, V.A. Maltsev, O.A. Chikova // Russian J. Non-Ferrous Metals. 2019. V.60(5). P.517–523. https://doi.org/10.3103/S1067821219050171
  46. Ritasalo, R. Thermal stability of PECS-compacted Cu-composites / R. Ritasalo, U. Kanerva, Hannula // Key Eng. Mater. 2013. V.527. P.113–118. DOI : 10.4028 S-P./www.scientific.net/KEM.527.113.
  47. Tabor, D. The hardness of metals / D. Tabor. – Oxford : Clarendon Press, 1951. 175 p.
  48. Hwang, S.J. Compressive yield strength of the nanocrystalline Cu with Al2O3 dispersoid / S.J. Hwang // J. Alloys Comp. 2011. V.509 (5). P.2355–2359. DOI : 10.1016/j.jallcom.2010.11.017.
  49. Guo, M. Relationship between microstructure, properties and reaction conditions for Cu-TiB2 alloys prepared by in situ reaction / M. Guo, K. Shen, M. Wang // Acta Materialia. 2009. V.57. P.4568–4579. DOI : 10.1016/j.matchemphys.2012.11.014.
  50. Lee, J. Microstructure and properties of titanium dispersed Cu alloys fabricated by spray forming / J. Lee, J.Y. Jung, E-S. Lee [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. 2000. V.277. P.274–283. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00551-1
  51. Chikova, O.A. Structure and nanomechanical characteristics of Al-Cu-Mg-Si alloy with partly liquated grain boundaries upon heat treatment / O.A. Chikova, P.L. Reznik, B.V. Ovsyannikov // Phys. Metals and Metallography. 2016. V.117(12). P.1245–1250. DOI : 10.1134/S0031918X16120036.
  52. Chikova, O.A. Measurement of young’s modulus and hardness of Al-50 wt % Sn alloy phases using nanoindentation / O.A.Chikova, E.V. Shishkina, A.N. Konstantinov // Phys. Metals and Metallography. 2013. V.114(7). P.616–622. DOI : 10.1134/S0031918X1307003X.
  53. Belomestnykh, V. N. Behavior of poisson’s ratio in the crystal Cu2O / V.N. Belomestnykh, E.G. Soboleva // Appl. Mech. Mater. Trans. Tech. Publ. Ltd. 2014. V.682. P.170–173. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.682.170

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».