金锡合金单轴热压缩过程的高能同步辐射原位衍射研究

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金锡共晶合金(Au-20.4 wt.%Sn)是一种低熔点(551 K)的钎焊材料,它具有诸多优良的使用性能,如良好的导电导热性、浸润性好、抗疲劳强度高且性能稳定无污染,因此在微电子封装和集成等电路等领域应用广泛。金锡共晶合金室温下是由AuSn和Au5 Sn两个具有六方结构的金属间化合物组成,两相皆为硬脆相,因此室温下变形比较困难。文献中关于两个金属间化合物构成的合金材料变形过程的研究一直鲜有报道。因此,本文针对金锡共晶合金的变形过程进行了原位观测和离位分析,旨在探究金锡共晶合金的变形机制问题。本文首先针对Au5Sn和AuSn两个单一化合物以及金锡共晶合金的加热过程展开探究,然后利用差示扫描量热法和高能同步辐射原位衍射技术分别进行了热分析和原位衍射分析。结合单轴热压缩变形过程的原位观测结果和高分辨透射电镜的离位分析结果,讨论了热压缩变形过程中两个金属间化合物以及金锡共晶合金的变形机制问题。论文获得的主要结论如下:(1)热分析和原位衍射分析表明,AuSn化合物在加热过程中存在漫散的相变行为,这种特殊的相变行为是由层错引起的。高分辨透射电镜分析确认了铸态AuSn中存在大量的插入型层错。Au5Sn化合物在加热过程中发生了有序-无序相转变,这种有序一无序相转变产生了很多细小的亚晶粒。在金锡共晶合金中上述相变行为依然存在。(2)对Au5Sn化合物单轴热压缩过程进行原位衍射研究发现,其总变形量可达35.5%,表明Au5Sn热压缩过程中动态再结晶进行得比较充分。结合透射电镜离位分析,确定了其变形机制主要以位错滑移为主,其中基面滑移较明显。(3)对AuSn化合物单轴热压缩过程进行原位衍射研究发现,AuSn的总变形量为26.9%,小于Au5 Sn。这主要是由于其加载过程中动态再结晶进行得不够充分,加工硬化现象严重,使其总变形量较小。这一结果充分表明,AuSn化合物具有较低的层错能。其变形机制同样是以位错滑移为主,柱面滑移最为明显。(4)金锡共晶合金比单相更容易发生变形,其变形量可达76.2%。原因是Au5Sn更容易发生变形,在外力的作用下,当位错塞积至两相界面时会导致界面处应力集中,从而促进AuSn的变形。因此两相协同变形提高了共晶合金的变形能力。(5)对不同应变速率下金锡共晶合金变形过程的研究表明,应变速率主要是通过影响孪生变形和动态再结晶来影响共晶合金的变形。应变速率越高,孪生变形越容易发生,孪生变形使位错滑移导致的应力集中得以释放,位错滑移在重新取向的晶面上继续滑移。而应变速率越小,动态再结晶进行的更充分,故低应变速率下合金的变形量更大。(6)退火对变形过程的影响主要是通过改变金锡共晶合金的组织形貌实现的。获得一定的过冷度并经过退火处理后的样品,粗大的枝晶消失,层片共晶熟化,晶粒变的更加细小,细小的晶粒更加有利于变形。
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