Mikrostrukturní a elektrické vlastnosti rotačně kované mědi

Kopeček J.1, Kmječ T.1, Veřtát P.1, Šimek D.1, Ahmed U.1, Duchoň J.1, Klementová M.1, Bajtošová L.2, Kunčická L.3, Kocich R.3

1 FZU – Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Praha, Czech Republic,

2 Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, Czech Republic,

3 Faculty of Materials Science and Technology, VŠB–Technical University of Ostrava, Ostrava-Poruba, Czech Republic

 

Měď vyniká výtečnou elektrickou vodivostí, ale její mechanické vlastnosti nejsou valné [1]. Když jsou pak zlepšeny, například příměsemi, dochází k rapidnímu snížení vodivosti, protože příměsové atomy, či částice, které je obsahují, rozptylují vodivostní elektrony. Vcelku překvapivou metodou řešení dilematu preferovat vyšší vodivost či mechanické vlastnosti se ukázaly být některé metody značné plastické deformace, které vytvářejí velké množství nanodvojčat [2]. V takto připravených vzorcích byla pozorována vyšší vodivost než v konvenčně žíhané mědi. Předpokládáme, že dvojčatové hranice, jako příklad speciálních hranic s velmi malou přebytečnou energií vrstevné poruchy, působí jako kanály vedoucí elektrický proud téměř bezrozptylově. Samozřejmě jiné poruchy, jako jsou obecné hranice zrn nebo dislokace elektrony rozptylují a zvyšují elektrický odpor, což vede k ohřevu materiálu a degradaci mechanických vlastností.

I po téměř dvaceti letech je koncept tvorby velkého množství nanodvojčat stále živý a dále rozpracovávaný pro různé materiály [3]. V naší práci jsme použili komerčně čistou měď pro elektrické aplikace, která byla rotačně kována (RS) při teplotě kapalného dusíku v zařízení Komafu S600, při využití zkušeností členů týmu s metodikou RS [4-6]. Výchozí průměr tyčí byl 50 mm a redukovány byly na průměry 20 až 10 mm. Vykované tyče byly dále žíhány a všechny stavy byly standardně zkoumány pomocí SEM (Tescan FERA 3), EDS a EBSD (EDAX Octane super 60 mm2 a Digiview IV), TEM (Jeol JEOL 2000 FX) a XRD (PANalytical X‘Pert PRO).

Potvrdili jsme, že rotační kování vytváří silnou texturu ve směrech á100ñ a á111ñ v ose kování. Zrna jsou v materiálu velmi silně protažena ve směru osy tyče. Po žíhání tato mikrostruktura masivně rekrystalizuje, přesto však je vodivost ve všech případech vyšší než v konvenčně žíhané mědi pro elektrické aplikace. Tento výsledek je překvapivý, zejména s ohledem na relativně nízké množství dvojčat pozorovaných pomocí TEM. Prozatím předpokládáme, že pozorování poruch krystalové mříže je ovlivněno schopností mědi relaxovat i v nízkých teplotách [7].

[1] J. R. Davies (Ed), ASM Specialty Handbook, Copper and Copper Alloys, Materials Park, ASM International, 2001.

[2] L. Lu, Y.F. Shen, X.H. Chen, L.H. Qian, K. Lu, Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper, Science, 304 (2004), 422-426.

[3] X. Ke, J. Ye, Z. Pan, J. Geng, M.F. Besser, D. Qu, A. Caro, J. Marian, R.T. Ott, Y.M. Wang, F. Sansoz, Ideal maximum strengths and defect-induced softening in nanocrystalline-nanotwinned metals, Nature Materials, 18 (2019), 1207-1214.

[4] R. Kocich, L. Kunčická, A. Macháčková, M. Šofer, Improvement of mechanical and electrical properties of rotary swaged Al-Cu clad composites, Mater. Design, 123 (2017), 137–146.

[5] P. Strunz, L. Kunčická, P. Beran, R. Kocich, Ch. Hervoches, Correlating Microstrain and Activated Slip Systems with Mechanical Properties within Rotary Swaged WNiCo Pseudoalloy, Materials, 13(2020), 208.

[6] D. Canelo-Yubero, R. Kocich,    J. Šaroun, P. Strunz, Residual Stress Distribution in a Copper-Aluminum Multifilament Composite Fabricated by Rotary Swaging, Materials, 16 (2023), 2102.

[7] Král P., Staněk J., Kunčická L., Seitl F., Petrich L., Schmidt V., Beneš V., Sklenička V.: Microstructure changes in HPT-processed copper occurring at room temperature. Mater. Character. 151 (2019) 602-611.

Děkujeme projektu GA ČR 22-11949S a projektům MŠMT CzechNanoLab (LM2023051) a SOLID21 (CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000760) za podporu.