Cu含量對Al－Cu合金板材組織及性能的影響

孫萍，陳忠家，劉程，王克廷

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽合肥230009)

鋁合金中添加Cu、Mg和Mn等可強化元素，可使合金通過熱處理得到強化，這是2×××系合金的基本特點。通過合金元素的改變和匹配與雜質元素的控制，可以獲得各種合金系列和性能，以滿足各種使用性能的要求［1］。Al－Cu二元系合金是2×××和7×××系合金的基礎合金，也是典型的熱處理可強化合金，由于在淬火時效后，其組織中出現大量彌散分布的GP區、θ″和θ'相，并在其周圍形成彈性應變區，阻礙了位錯運動，因而，Al－Cu合金具有優良的性能［2］。本文從合金熔煉角度改變板材的中Cu元素的含量，探究了Cu含量變化對退火態Al－Cu合金板材微觀組織、力學性能和成形性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 板材制備

試驗原材料采用高純電解鋁錠和電解銅。配制5種不同Cu含量的Al－Cu合金，在SG2－5－10型功率為5KW坩堝電阻爐中用石墨坩堝進行熔煉，每爐熔煉900g，熔煉溫度為740～760℃。澆鑄時采用自制的45鋼模具，內壁尺寸為150mm×20mm×100mm，澆鑄溫度為720～740℃。合金鑄錠經均勻化退火、刨表面后，測量鑄錠厚度為17.8mm，之后熱軋至3mm厚的板，然后退火進行冷軋，冷軋過程中經一次中間退火后冷軋至1mm厚的板材，最后對板材進行退火處理，退火工藝為360℃×30min。試驗制備的板材化學成分如表1所示。

表1 試驗制備Al－Cu合金板材的化學成分(wt%)Table 1 Chemical composition of the studied alloy(wt%)

1.2 組織觀察及性能測試

取軋制退火后Al－Cu合金板材的中間部位，制成金相試樣，試樣經機械拋光、混合酸(1%HF+1.5% HCl+2.5%HNO3+蒸餾水)侵蝕后，在XJP－6A金相顯微鏡下進行觀察。

將退火處理后的Al－Cu合金板材加工成標準拉伸試樣和不同直徑的深沖拉深試樣。標準拉伸試樣如圖1所示，厚1mm，標距長36mm，寬10mm，拉伸試樣從鋁合金板材與扎制方向成0°方向上截取。拉伸試驗在CMT5105型微機控制電子萬能實驗機上進行，拉伸速率為4.6×10－4s－1。每種成分分別取三根拉伸試樣進行拉伸試驗。

深沖拉深試樣為不同直徑的圓片，厚度為1mm，試樣的直徑從64mm到82mm，直徑每隔2mm取一個試樣。拉深試驗在J23－80型80噸開式雙柱可傾壓力機上進行，其沖頭直徑和凹模直徑分別為49.6mm、52.0mm，凸模圓角半徑和凹模圓角半徑均為5mm，如圖2所示，每種成分每種直徑各拉深3個試樣。

圖1 標準拉伸試樣尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 Al－Cu合金板材顯微組織分析

圖3為不同Cu含量下Al－Cu合金板材退火態的金相圖。可以看出，從板材固溶體中析出的彌散強化相呈質點狀均勻分布于α(Al)基體上［3］，析出的彌散強化相為θ相CuAl2，雜質相呈堆積狀分布于α (Al)基體上。隨著Cu含量的增加，從固溶體中析出的彌散強化相顆粒均逐漸增多，雜質相在Cu含量為7.214%和9.806%時較多。

圖2 拉深模具關鍵尺寸

圖3 Al－Cu合金板材的顯微組織

根據Al－Cu合金的平衡相圖，Cu在Al基體中溶解度隨溫度升高而升高，在 548℃達到最大值5.65wt%，而室溫下 Cu在 Al基體中溶解度僅為0.05%(外推值)［3］。這些Al－Cu合金板材由于Cu含量不同，在相同的制備工藝(軋制和熱處理)下，溶解到Al基體中的溶質原子相同，為其室溫下的極限溶解度，而多余的未溶解的 Cu原子則以析出相(CuAl2)顆粒形式存在。這樣Al－Cu合金板材就具有相同的溶質原子濃度和不同含量的析出相顆粒，且隨著Cu含量的不斷增大，析出相質點越多。

2.2 Cu含量對Al－Cu合金板材室溫力學性能的影響

圖4為不同Cu含量下Al－Cu合金板材抗拉強度、屈服強度和延伸率的變化曲線。可以看出，隨著Cu含量的增加，抗拉強度和屈服強度逐漸升高，Cu含量為3.307%時抗拉強度和屈服強度出現峰值后開始下降。在Cu含量為3.307%時板材的抗拉強度和屈服強度分別為179MPa和139.7MPa，抗拉強度較Cu含量為1.287%時增加41.1MPa。延伸率隨著Cu含量的增加先降低后升高之后又減小，在Cu含量為3.307%時達到最小值，為13.1%，Cu含量為7.214%時達到最大值，為21.05%。

圖4 Cu含量對Al－Cu合金主要力學性能的影響

由金相顯微組織知道，Al－Cu合金的主要強化相為θ相CuAl2，隨著Cu含量不斷增多，析出相顆粒的含量逐漸增多，板材的強度逐漸升高，同時，不容雜質相在Cu含量較高的板材中存在較多，使得板材的強度和塑性降低［1］。Al－Cu合金板材在 Cu含量為3.307%時的抗拉強度和屈服強度都最大，而延伸率最小。其它Cu含量合金板材的抗拉強度和屈服強度較小，而延伸率卻相當好。延伸率表示板材產生均勻穩定的塑性變形能力，它直接決定板材在伸長類變形中的沖壓成形能力［4］。可推知，Cu含量在5.654% ～9.806%的Al－Cu合金板材的力學性能和成形性能較好。

Al－Cu合金板材的屈強比隨Cu含量的變化如圖5所示。可以看出，隨著Cu含量的增加，屈強比先增大后減小，在Cu含量為3.307%時屈強比最大，為0.781。材料的屈強比小，則拉深時容易產生塑性變形而不易產生拉裂，有利于提高材料拉深變形的變形程度［4］。可推知，Cu含量在5.654% ～9.806%的Al－Cu合金板材的成形性能較好。

圖5 Cu含量對Al－Cu合金屈強比的影響

應變硬化指數n隨Cu含量的變化如圖6所示。可以看出，隨著Cu含量的增加，應變硬化指數n先減小后增大。Cu含量為9.806%時達到最大值，不同Cu含量的合金板材n值最大相差0.1。材料的應變硬化指數n越大，硬化效應越明顯，抗局部頸縮失穩的能力越強，材料的變形易于從變形區向未變形區、從大變形區向小變形區傳遞，宏觀表現為材料應變分布的均勻性好，有利于提高材料的成形極限［5］。可知Cu含量在5.654%～9.806%時的應變硬化指數n較大，其成形性能較好。

圖6 Cu含量對Al－Cu合金板材應變硬化指數的影響

2.3 Cu含量對Al－Cu合金板材室溫成形性能的影響

圖7顯示了Al－Cu合金板材的極限拉深系數隨Cu含量的變化趨勢。可以看出，當 Cu含量為3.307%、7.214%和9.806%時，板料的極限拉深系數比較大，當銅含量為1.287%和5.654%時，板料的極限拉深系數較小。

圖7 Cu含量對極限拉深系數的影響

極限拉深系數是使拉深件不破壞的最小拉深系數，它是研究板料成形性能的一個主要指標，拉伸系數越小板材變形程度越大，成形能力越好。綜合比較，銅含量在5.654%時的板材成形性能較優，與前面的金相組織和力學性能分析結果一致。

Al－Cu合金板材拉深制耳率隨Cu含量的變化趨勢如圖8所示。可以看出，當Cu含量為9.806%時，制耳率達到了最大值5%，當Cu含量為5.654%時，制耳率達到了最小值3.8%，綜合比較，銅含量在5.654%時板材的成形性能較優。

圖8 Cu含量對制耳率的影響

3 結論

Al－Cu合金經過相同的加工工藝，由于合金中Cu含量的變化，板材中析出相CuAl2的含量不同，使材料力學性能和成形性能的不同。

(1)Al－Cu合金板材具有相同的溶質原子濃度和不同含量的析出相顆粒，且隨著Cu含量的不斷增大，析出相質點越多;

(2)Cu含量為5.654%～9.806%時，板材的力學性能較好，此時，抗拉強度最大值為162.35MPa，延伸率最大為21.05%，屈強比最小值為0.552，應變硬化指數最大達到0.26;

(3)Cu含量為5.654%時，板材的成形性能較優，此時，極限拉伸系數為0.75，制耳率低至3.8%。

［1］丁惠麟，辛智華.實用鋁、銅及其合金金相熱處理和失效分析［M］.北京:機械工業出版社，2008:239－240.

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