简介概要

锂对工业纯铜力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2001年第4期

论文作者：张自明涂铭旌胡兆敏李宁朱达川陈家钊

关键词：锂; 纯铜; 力学性能;

摘要：在工业纯铜中加入微量锂,可提高工业纯铜硬态丝的抗拉强度和延伸率,这是由于锂的加入引起铜的晶格畸变从而产生固溶强化所致.同时,锂的加入提高了工业纯铜的再结晶强度,在铜的常规热处理制度下,试样仍保持较多的形变组织,从而退火后其强度下降较少,延伸率提高也较小.

稀有金属 2001,(04),256-259 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.04.006

锂对工业纯铜力学性能的影响

陈家钊李宁涂铭旌张自明胡兆敏

四川大学金属材料工程系!成都610065,四川大学金属材料工程系!成都610065,四川大学金属材料工程系!成都610065,四川大学金属材料工程系!成都610065,国营建中化工总公司!宜宾644000,国营建中化工总公司!宜宾644000

摘要：

在工业纯铜中加入微量锂 , 可提高工业纯铜硬态丝的抗拉强度和延伸率 , 这是由于锂的加入引起铜的晶格畸变从而产生固溶强化所致。同时 , 锂的加入提高了工业纯铜的再结晶强度 , 在铜的常规热处理制度下 , 试样仍保持较多的形变组织 , 从而退火后其强度下降较少 , 延伸率提高也较小

关键词：

锂;纯铜;力学性能;

中图分类号： TG146.263

收稿日期：2000-10-10

基金：国家自然科学基金资助项目 (No .5 95 710 12 );

Effect of Lithium on Mechanical Properties of Pure Copper

Abstract：

The tensile strength and elongation of pure copper was improved when trace lithium was added. This is because that copper's lattice distortion was formed, leading to solid solution strengthening due to the addition of trace lithium. At the same time, the recrystallization temperature of pure copper was improved. The samples still have much deformation structure at conventional heat treatment system, so the strength and the elongation of copper after annealing decreased slightly.

Keyword：

Lithium; Copper; Mechanical properties;

Received： 2000-10-10

工业纯铜具有良好的导电、导热性, 耐蚀性和可焊性等性能, 且塑性较好, 可冷、热加工成各种产品, 因而工业纯铜用途广泛, 常用于导电、导热及耐蚀器材 ^[1] , 例如用于制作电力电缆、通信电缆、电机绕组等, 同时还可将其加工成各种压延制品。粉末冶金的出现, 对铜粉的需求量将大大增加, 目前其用量仅次于钢和铝 ^[2] 。但随着工业技术的飞速发展, 工业纯铜强度低, 软化温度低等缺点也使其应用受到某些限制, 例如城市交通用电车、起重机车、电气化铁路等所用滑接馈电线既要求较高的电导率, 以减小电流传导过程中的热损及电压降, 又要求具有较高机械强度, 同时具有一定的耐磨、耐蚀性。因此, 高强高导铜合金具有极为广阔的应用前景 ^[3] 。铜合金常用铁、钛、锌等作为变质剂, 但微量元素对纯铜变质处理的报道极少 ^[4] 。本文利用锂良好的脱氧除气及合金化作用, 初步探讨了其对铜的强化机制。

1 试验过程

选用3号工业纯铜为原料, 原料杂质成分见表1, 向3号工业纯铜液中添加不同含量的锂, 成分设计见表2。

表1 原材料的化学成分 下载原图

Table 1 Chemical composition of 3^#pure copper

表1 原材料的化学成分

表2 试样中锂的设计加入量 下载原图

Table 2 Design addition of lithium in copper

表2 试样中锂的设计加入量

用 ZG25A 型真空感应电炉在保护气氛下熔炼、浇注, 空冷后制得表面光洁、内部致密的铜合金铸锭, 然后将铸锭表面刨皮, 用 XS-ZY-5008 型挤压机挤压成直径为 8 mm 的棒材, 再冷拔成直径为 2 mm 的铜丝。

用美制 ICAP9000 (N+M) 型等离子体发射光谱仪测定铜合金中锂的残留量。

对各号丝材按拉伸试样标准取样, 在国产 LJ-1000 型材料试验机上测定其拉伸性能。

将Φ2 mm 丝材在常规纯铜退火温度 400℃下进行真空退火 48 h, 用日产 X-650 型扫描电镜观察组织形貌, 用X射线衍射仪测定其各晶面的畸变量, 在日产 AG-10TA 型电子式万能材料试验机上作拉伸试验, 拉伸速度为 5 mm/min, 拉到延伸率约 40% 时, 速度变为 10 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 Cu-Li 合金硬态丝材的力学性能

合金铸锭经热挤压、冷拔成 Φ2 mm 的硬态丝后, 测定其力学性能, 结果见表3。由表3可知, 工业纯铜中加入微量锂, 可使其硬态丝的抗拉强度比未加锂的工业纯铜提高 5%～8%, 塑性也有所提高, 提高幅度最大为25%。

表3 各号硬态丝的力学性能 下载原图

Table 3 Mechanical properties of samples in cold drawing

注:锂的残余量是指除去由于锂的净化及挥发消耗掉的铝后, 试样中的实际铝含量

表3 各号硬态丝的力学性能

2.2 铜锂合金晶格畸变测试结果

对试样进行X射线衍射分析, 计算不同锂含量对铜不同晶面畸变的影响, 其计算数据见表4。根据数据作图, 见图1。

表4 试样各晶面的晶格畸变量/% 下载原图

Table 4 Deformity of different lattice planes in samples

表4 试样各晶面的晶格畸变量/%

图1 锂对工业纯铜主要晶面晶格畸变的影响

Fig.1 Effects of Li on crystal deformities in pure copper

由表4中晶格畸变数据及图1可见, 随着锂加入量的增加, 晶格畸变量呈增大趋势, 由此引起的强化效应增加。

2.3 Cu-Li 合金软态丝材的力学性能

将 Φ2 mm 的铜丝在铜线厂随工业炉于 400℃ 下真空退火 48 h, 然后作相应力学性能检测, 测试结果见表5和图2。

表5 各号软态丝的力学性能 下载原图

Table 5 Mechanical properties of samples after anealing at 400℃ for 48 h

表5 各号软态丝的力学性能

图2 铜锂合金软态丝材的力学性能

Fig.2 Mechanical properties of samples after annealing at 400℃ for 48h

由表5及图2可见, 试样经退火后, 加有微量锂的铜锂合金丝的抗拉强度比工业纯铜丝的抗拉强度高, 但其延伸率有所下降。

2.4 Cu-Li 合金丝在常规热处理工艺下的形貌组织

将各试样硬态丝在 400℃下退火 48 h 后, 用日产 X-650 型扫描电镜观察其组织形貌, 扫描形貌图见图3。

由图3可知, 在400℃下真空退火 48 h 后, 未加锂的工业纯铜 (图3 (a) ) 发生了明显的再结晶, 加了微量锂的工业纯铜 (图3 (b) ) 再结晶程度较轻, 大量变形组织仍然存在, 因此加入微量锂的工业纯铜在 400℃下真空退火 48 h, 其抗拉强度较工业纯铜硬态丝下降幅度小, 延伸率提高幅度也相应小些。

2.5 分析与讨论

锂的原子半径为 0.152 nm, 比铜的原子半径 0.128 nm 大 18%, 同时锂为体心立方晶格, 铜为面心立方晶格, 因此锂在铜晶格中形成有限置换固溶 ^[5,6] 。锂和铜的置换关系使原子间形成弹性畸变 (见图1) , 由此而产生弹性应变能, 包括溶剂和溶质原子的弹性畸变能、溶剂原子与溶质原子间的相互作用能 ^[7,8] 。当位错在外力作用下运动, 经过该畸变区时, 由于畸变能的作用而受到阻碍, 必须施加更大的外力才能克服这一畸变阻力, 从而使合金得到强化。由于锂的加入量极少, 故强化效果不是太明显。

图3 试样退火后的 SEM 形貌观察

Fig.3 SEM morphologies of samples after annealing at 400℃ for 48h

(a) 未加锂的工业纯铜; (b) 加了锂的工业纯铜

硬态丝在 400℃ 下经 48 h 退火后, 加微量锂的铜锂合金的力学性能与工业纯铜的力学性能见图2, 抗拉强度下降较少, 同时延伸率提高幅度也较小。这是由于锂的加入提高了铜的再结晶温度, 在铜的常规热处理制度下, 工业纯铜发生了明显的再结晶, 从而其抗拉强度下降、延伸率提高较大, 而加了锂的铜锂合金丝再结晶程度较轻, 大量变形组织仍然存在 (见图3) , 从而仍具有较高的抗拉强度及较小的延伸率。