Rotačně kovaná měď

Kopeček J.¹, Kmječ T.¹, Mestek S.¹, Veřtát P.¹, Šimek D.¹, Ahmed U.¹, M. Benč², J. Walek², Kunčická L.², Kocich R.²

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

²Faculty 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 tohoto dilematu se ukázaly některé metody značné plastické deformace, které vytvářejí velké množství nanodvojčat [2]. V takto připravených vzorcích byla pozorována větší vodivost než v konvenčně žíhané mědi. Předpokládáme, že dvojčatové hranice, jako příklad speciálních hranic s velmi malou přebytečnou energií vrstevné poruchy, působí jako kanály, které vedou 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.

Koncept tvorby velkého množství nanodvojčat stále živý a dále rozpracovávaný pro různé materiály i po dvaceti letech od svého objevu [3]. V naší práci byl nejprve studován čistý materiál kovaný při teplotě kapalného dusíku, nyní jsme využili komerčně čistou s přídavkem 1 % Al₂O₃, která byla rotačně kována (RS) při pokojové teplotě v zařízení Komafu S600, při využití zkušeností členů týmu s metodikou RS [5-6]. Materiál byl míchán a následně v měděné trubce kompaktizován kováním při redukci z 50 mm na průměry 13 a 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).

Potvrdili jsme, že rotační kování při teplotě kapalného dusíku vytváří silnou texturu ve směru á111ñ v ose kování, složka ve směru á100ñ je oproti čistému materiálu výrazně slabší. Zrna jsou ve směru osy tyče protažena, ale jsou významně kratší než v kovaném materiálu. Po žíhání tato mikrostruktura rekrystalizuje, vodivost roste, avšak zůstává nižší než 100 % IACS. Snížení vodivosti oproti hodnotě IACS je dáno obsahem Al₂O₃, a tedy rozptylem vodivostních elektronů na částicích v matrici. Pomocí TEM byly pozorovány dislokační stěny. Předpokládáme, že pozorování poruch krystalové mříže je ovlivněno schopností mědi relaxovat i v nízkých teplotách [7], ale není zcela řízeno rychlými procesy při přípravě.

[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] Kopeček J., Bajtošová L., Veřtát P., Šimek D., (Sub)structure Development in Gradually Swaged Electroconductive Bars, Materials, 16 (2023)  5324-1 – 5324-12.

[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.

We acknowledge Czech Science Foundation project 22-11949S and CzechNanoLab Research Infrastructure (LM2023051) by MEYS CR for support.