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AL对铍铜合金组织和性能的影响?

来源:广东赫达金属材料有限公司   发布时间:2021-12-30   点击量:476

     作为高强高弹材料,铍铜合金以高强度(1000~1450MPa)和约良好的导电性(20%IACS~50%IACS),在国民经济建设和国防军工领域具有不可替代的地位。虽然铍铜合金性能优良,但由于Be及其化合物都有剧毒,在熔炼、铸造等高温环境操作时所形成的烟雾、蒸汽、粉尘对人体有害,需要特殊的熔铸设备以及完善的排放和净化处理系统,导致铍铜合金的生产门槛和生产成本较高。因此,研究和开发具有优良综合性能的无Be或低Be替代材料有着十分重要的意义。

     目前,在不降低主要性能指标的前提下,通过添加特种合金元素部分取代Be,是开发低成本高性能铜合金的主要任务之一,通过添加特种合金元素等对Cu-Be合金组织性能的影响规律和作用机理,发现Ni元素可明显促进合金中NiBe相的析出,形成了大量弥散分布的纳米级共格γ″相和γ′相,可显著提高了合金的强度,并获得了合理的Ni含量(2.0%),Cu-Ni-Al系合金的组织和性能,发现在合金中形成了Ni3Al、NiAl等强化相,且弥散分布在铜基体中,可显著提高铜合金的强度及性能。

      相比于Be元素,Al的价格较低廉,本文在前期关于Cu-Be-Ni合金的基础上,通过添加适量Al元素取代部分昂贵的Be元素,研究了Al含量对Cu-Be-Ni-Al合金铸造和时效组织、性能的影响及作用机制,为开发低成本的高强高弹Cu-Be-Ni-Al合金提供理论依据和实验参考。

      

AL对铍铜合金性能和组织结果与讨论

      前期工作研究了Ni含量等对Cu-0.4Be合金组织性能的影响规律和作用机理,获得了合理的Ni含量。在此基础上,减少合金中Be的含量至0.2%,,Cu-Be-Ni合金峰值时效的硬度为225HV,比Cu-Be合金峰值时效的硬度(115HV)提高了48%,而比Cu-Be-Ni合金的硬度(331HV)降低了30%。Cu-Be-Ni合金的导电率达到了50%IACS,高于Cu-Be合金导电率(44%IACS)和Cu-Be-Ni合金导电率(40%IACS)。

      与Cu-Be合金相比,Cu-Be-Ni合金的硬度和导电率均有明显提高,但与Cu-Be-Ni合金相比硬度较低。为了进一步提高Cu-Be-Ni合金的强度和导电率,本文作者通过在降低Be含量的基础上向Cu-Be-Ni合金中添加适量Al元素,来获得所需性能。

什么是铍铜合金“弹性模量”

       铍青铜的一个重要应用方向是弹性元件,因此,提高弹性模量对于铍青铜而言尤为重要。金属材料的弹性模量取决于其本身的晶体特性,通常原子尺寸愈小则晶体愈致密,弹性模量愈大。合金晶体的致密度与其元素的致密参数J密切相关,元素致密参数J与其原子直径和克原子体积成反比关系,如果忽略晶型和价电子数的影响,原子直径的配位数统一取12合金元素加入铜合金固溶体中会造成铜基体的点阵畸变,从而影响铜合金的弹性模量,如果合金元素与铜基体原子之间的结合力比基体原子之间的结合力大,弹性模量会增加。如果添加合金元素使铍铜合金晶格常数或晶胞体积增大,则会提高铍铜合金的弹性模量,反之亦然。

       

铍铜合金组织及性能测试结论

       1、随着Al含量的增加,Cu-Be-Ni铸态试样的晶粒尺寸逐渐减小,从2600μm减至840μm,同时试样中的析出相含量逐渐增大。当Al含量为0.1%和0.15%时,形成晶内针状Ni-Al析出相,主要集中分布在树枝晶间区域;当Al含量增加到0.2%时,在晶内析出大量针状析出相的同时,在晶界形成呈链状分布的棒状的Ni-Al析出相。

       2、添加Al元素可提高Cu-Be-Ni合金的弹性模量和铸态试样的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。Al含量由0增加至0.2%,弹性模量从115GPa提高到127GPa,提高了10%。Al与Ni形成的具有高弹性模量的Ni3Al相是弹性模量提高的主要原因。

       3、常规时效后含0.2%Al的Cu-Be-Ni合金峰值硬度和导电率分别为238HV和44%IACS,与不加Al的合金硬度(225HV)相比,提高了6%,抗过时效能力有所提高,导电率下降了6%IACS。
在时效处理过程中,加入的Al元素会抑制析出相的长大,从而提高了抗过时效能力。

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