Cu含量对Al－Cu合金板材组织及性能的影响

孙萍，陈忠家，刘程，王克廷

(合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009)

铝合金中添加Cu、Mg和Mn等可强化元素，可使合金通过热处理得到强化，这是2×××系合金的基本特点。通过合金元素的改变和匹配与杂质元素的控制，可以获得各种合金系列和性能，以满足各种使用性能的要求［1］。Al－Cu二元系合金是2×××和7×××系合金的基础合金，也是典型的热处理可强化合金，由于在淬火时效后，其组织中出现大量弥散分布的GP区、θ″和θ'相，并在其周围形成弹性应变区，阻碍了位错运动，因而，Al－Cu合金具有优良的性能［2］。本文从合金熔炼角度改变板材的中Cu元素的含量，探究了Cu含量变化对退火态Al－Cu合金板材微观组织、力学性能和成形性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 板材制备

试验原材料采用高纯电解铝锭和电解铜。配制5种不同Cu含量的Al－Cu合金，在SG2－5－10型功率为5KW坩埚电阻炉中用石墨坩埚进行熔炼，每炉熔炼900g，熔炼温度为740～760℃。浇铸时采用自制的45钢模具，内壁尺寸为150mm×20mm×100mm，浇铸温度为720～740℃。合金铸锭经均匀化退火、刨表面后，测量铸锭厚度为17.8mm，之后热轧至3mm厚的板，然后退火进行冷轧，冷轧过程中经一次中间退火后冷轧至1mm厚的板材，最后对板材进行退火处理，退火工艺为360℃×30min。试验制备的板材化学成分如表1所示。

表1 试验制备Al－Cu合金板材的化学成分(wt%)Table 1 Chemical composition of the studied alloy(wt%)

1.2 组织观察及性能测试

取轧制退火后Al－Cu合金板材的中间部位，制成金相试样，试样经机械抛光、混合酸(1%HF+1.5% HCl+2.5%HNO3+蒸馏水)侵蚀后，在XJP－6A金相显微镜下进行观察。

将退火处理后的Al－Cu合金板材加工成标准拉伸试样和不同直径的深冲拉深试样。标准拉伸试样如图1所示，厚1mm，标距长36mm，宽10mm，拉伸试样从铝合金板材与扎制方向成0°方向上截取。拉伸试验在CMT5105型微机控制电子万能实验机上进行，拉伸速率为4.6×10－4s－1。每种成分分别取三根拉伸试样进行拉伸试验。

深冲拉深试样为不同直径的圆片，厚度为1mm，试样的直径从64mm到82mm，直径每隔2mm取一个试样。拉深试验在J23－80型80吨开式双柱可倾压力机上进行，其冲头直径和凹模直径分别为49.6mm、52.0mm，凸模圆角半径和凹模圆角半径均为5mm，如图2所示，每种成分每种直径各拉深3个试样。

图1 标准拉伸试样尺寸

2 试验结果与分析

2.1 Al－Cu合金板材显微组织分析

图3为不同Cu含量下Al－Cu合金板材退火态的金相图。可以看出，从板材固溶体中析出的弥散强化相呈质点状均匀分布于α(Al)基体上［3］，析出的弥散强化相为θ相CuAl2，杂质相呈堆积状分布于α (Al)基体上。随着Cu含量的增加，从固溶体中析出的弥散强化相颗粒均逐渐增多，杂质相在Cu含量为7.214%和9.806%时较多。

图2 拉深模具关键尺寸

图3 Al－Cu合金板材的显微组织

根据Al－Cu合金的平衡相图，Cu在Al基体中溶解度随温度升高而升高，在 548℃达到最大值5.65wt%，而室温下 Cu在 Al基体中溶解度仅为0.05%(外推值)［3］。这些Al－Cu合金板材由于Cu含量不同，在相同的制备工艺(轧制和热处理)下，溶解到Al基体中的溶质原子相同，为其室温下的极限溶解度，而多余的未溶解的 Cu原子则以析出相(CuAl2)颗粒形式存在。这样Al－Cu合金板材就具有相同的溶质原子浓度和不同含量的析出相颗粒，且随着Cu含量的不断增大，析出相质点越多。

2.2 Cu含量对Al－Cu合金板材室温力学性能的影响

图4为不同Cu含量下Al－Cu合金板材抗拉强度、屈服强度和延伸率的变化曲线。可以看出，随着Cu含量的增加，抗拉强度和屈服强度逐渐升高，Cu含量为3.307%时抗拉强度和屈服强度出现峰值后开始下降。在Cu含量为3.307%时板材的抗拉强度和屈服强度分别为179MPa和139.7MPa，抗拉强度较Cu含量为1.287%时增加41.1MPa。延伸率随着Cu含量的增加先降低后升高之后又减小，在Cu含量为3.307%时达到最小值，为13.1%，Cu含量为7.214%时达到最大值，为21.05%。

图4 Cu含量对Al－Cu合金主要力学性能的影响

由金相显微组织知道，Al－Cu合金的主要强化相为θ相CuAl2，随着Cu含量不断增多，析出相颗粒的含量逐渐增多，板材的强度逐渐升高，同时，不容杂质相在Cu含量较高的板材中存在较多，使得板材的强度和塑性降低［1］。Al－Cu合金板材在 Cu含量为3.307%时的抗拉强度和屈服强度都最大，而延伸率最小。其它Cu含量合金板材的抗拉强度和屈服强度较小，而延伸率却相当好。延伸率表示板材产生均匀稳定的塑性变形能力，它直接决定板材在伸长类变形中的冲压成形能力［4］。可推知，Cu含量在5.654% ～9.806%的Al－Cu合金板材的力学性能和成形性能较好。

Al－Cu合金板材的屈强比随Cu含量的变化如图5所示。可以看出，随着Cu含量的增加，屈强比先增大后减小，在Cu含量为3.307%时屈强比最大，为0.781。材料的屈强比小，则拉深时容易产生塑性变形而不易产生拉裂，有利于提高材料拉深变形的变形程度［4］。可推知，Cu含量在5.654% ～9.806%的Al－Cu合金板材的成形性能较好。

图5 Cu含量对Al－Cu合金屈强比的影响

应变硬化指数n随Cu含量的变化如图6所示。可以看出，随着Cu含量的增加，应变硬化指数n先减小后增大。Cu含量为9.806%时达到最大值，不同Cu含量的合金板材n值最大相差0.1。材料的应变硬化指数n越大，硬化效应越明显，抗局部颈缩失稳的能力越强，材料的变形易于从变形区向未变形区、从大变形区向小变形区传递，宏观表现为材料应变分布的均匀性好，有利于提高材料的成形极限［5］。可知Cu含量在5.654%～9.806%时的应变硬化指数n较大，其成形性能较好。

图6 Cu含量对Al－Cu合金板材应变硬化指数的影响

2.3 Cu含量对Al－Cu合金板材室温成形性能的影响

图7显示了Al－Cu合金板材的极限拉深系数随Cu含量的变化趋势。可以看出，当 Cu含量为3.307%、7.214%和9.806%时，板料的极限拉深系数比较大，当铜含量为1.287%和5.654%时，板料的极限拉深系数较小。

图7 Cu含量对极限拉深系数的影响

极限拉深系数是使拉深件不破坏的最小拉深系数，它是研究板料成形性能的一个主要指标，拉伸系数越小板材变形程度越大，成形能力越好。综合比较，铜含量在5.654%时的板材成形性能较优，与前面的金相组织和力学性能分析结果一致。

Al－Cu合金板材拉深制耳率随Cu含量的变化趋势如图8所示。可以看出，当Cu含量为9.806%时，制耳率达到了最大值5%，当Cu含量为5.654%时，制耳率达到了最小值3.8%，综合比较，铜含量在5.654%时板材的成形性能较优。

图8 Cu含量对制耳率的影响

3 结论

Al－Cu合金经过相同的加工工艺，由于合金中Cu含量的变化，板材中析出相CuAl2的含量不同，使材料力学性能和成形性能的不同。

(1)Al－Cu合金板材具有相同的溶质原子浓度和不同含量的析出相颗粒，且随着Cu含量的不断增大，析出相质点越多;

(2)Cu含量为5.654%～9.806%时，板材的力学性能较好，此时，抗拉强度最大值为162.35MPa，延伸率最大为21.05%，屈强比最小值为0.552，应变硬化指数最大达到0.26;

(3)Cu含量为5.654%时，板材的成形性能较优，此时，极限拉伸系数为0.75，制耳率低至3.8%。

［1］丁惠麟，辛智华.实用铝、铜及其合金金相热处理和失效分析［M］.北京:机械工业出版社，2008:239－240.

［2］徐国富，金头男，邹景霞等.微量Sc元素对Al－Cu合金组织与性能的影响［J］.材料热处理学报，200425(2):15－18.

［3］张宝昌，王世洪，何明副.有色金属及其热处理［M］.北京:国防工业出版社，1981:36.

［4］陈文琳，高锦张，贾俐俐.塑性成形工艺与模具设计［M］.北京:机械工业出版社，2002:14－15.

［5］孙红玫.金属薄板带应变硬化指数和厚向异性指数测定方法［J］.河北冶金，2001，(2):50－51.