銅—鋼復(fù)合金屬結(jié)合質(zhì)量檢測和判定方法的探討

孔水龍

（浙江省冶金研究院有限公司，浙江 杭州 310007）

1 前言

新世紀以來，隨著我國科技的發(fā)展進步和工業(yè)化進程的不斷深入，各領(lǐng)域?qū)饘俨牧系囊笠膊粌H僅局限于單一金屬的功能要求，而是要求向高強度、可塑性、導(dǎo)熱性能良好、外觀美化等綜合性更優(yōu)的功能性多元化材料發(fā)展。特別是近十年來我國電子、電器、電氣、汽車、軍工、建筑、裝飾、餐廚具、飾品、燈具等領(lǐng)域的發(fā)展需要，催生了我國雙金屬復(fù)合板帶材的快速發(fā)展，銅-鋼復(fù)合金屬（以下簡稱，復(fù)合金屬）恰好是順應(yīng)了市場的需要而發(fā)展起來的國內(nèi)新材料領(lǐng)域的雙金屬復(fù)合新產(chǎn)品。

復(fù)合金屬產(chǎn)品融合了銅與鋼兩種金屬的特點，不僅具有良好的導(dǎo)電性、可塑性、耐蝕性、焊接性、表面再加工性和美觀的表面等特性,同時具有鋼的高強度，良好綜合性能是單一金屬銅或鋼不可比擬的，是一種新型的功能性應(yīng)用金屬材料。由于復(fù)合金屬材料是一種具有機械嚙合與相互擴散滲透的、具有完全冶金結(jié)合界面的雙金屬復(fù)合材料，如何測定復(fù)合金屬的結(jié)合質(zhì)量以及合理利用資源，對復(fù)合金屬材料的生產(chǎn)指導(dǎo)及下游領(lǐng)域的應(yīng)用，起著至關(guān)重要的作用。

2 銅—鋼復(fù)合金屬板帶質(zhì)量特性

2.1 成型機理

銅帶與鋼帶經(jīng)過表面處理后，使其表面粗糙，銅帶粗糙度：Rz＞2.6μm，鋼帶粗糙度：Rz＞10μm；通過大于50%加工率連續(xù)軋制[1]，使兩種金屬表面之間產(chǎn)生楔入效應(yīng)[2]和變形熱，促進兩者緊密結(jié)合成復(fù)合金屬卷帶坯；并通過高溫熱處理，使覆層金屬（以下簡稱覆層）銅原子與基材金屬（以下簡稱基材）鐵原子發(fā)生相互滲透擴散，達到兩種金屬接觸面完全冶金結(jié)合，形成由覆層與基材組成的特殊界面的一種新型銅與鋼復(fù)合的板帶產(chǎn)品，產(chǎn)品斷面見圖1。復(fù)合金屬產(chǎn)品總厚度0.2mm～3.9mm，，冶金結(jié)合界面厚度為1.6μm ～ 1.9μm[1]。

銅-鋼復(fù)合的結(jié)合機理：兩種金屬在復(fù)合軋制過程中，裂口機制和嵌合機制均起著重要的作用，是金屬復(fù)合機械嚙合的主要原因，能量理論的作用也是必不可少的原因之一。高溫退火促使銅與鋼通過原子相互滲透擴散達到復(fù)合界面的冶金結(jié)合，并形成冶金結(jié)合界面的合金層，見圖2中深色細線即是雙金屬冶金結(jié)合層（以下簡稱結(jié)合層）。

圖2 銅-鋼復(fù)合冶金結(jié)合層

圖1 銅鋼復(fù)合板帶的截面

2.2 質(zhì)量缺陷

2.2.1 加工變形缺陷

復(fù)合金屬產(chǎn)品施加外力后，覆層與基材的形變始終保持同步發(fā)生，即：覆層與基材具有同等的變形能力—抗拉強度和伸長率。如果變形過程中一旦出現(xiàn)覆層先于基材發(fā)生破裂如圖3，預(yù)示著復(fù)合金屬的結(jié)合層間內(nèi)部存在某種微觀缺陷，導(dǎo)致復(fù)合金屬的結(jié)合質(zhì)量缺陷。

圖3 產(chǎn)品客戶使用成型后缺陷

2.2.2 沖壓成形缺陷

復(fù)合金屬產(chǎn)品沖壓成形時，出現(xiàn)表面覆層開裂現(xiàn)象，見圖3 a），甚至經(jīng)多次反復(fù)拉伸-退火直到最后一次成形后，出現(xiàn)表面無銅的現(xiàn)象，見圖3 b）。這些應(yīng)用過程出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象，亦是復(fù)合金屬材料內(nèi)部微觀缺陷的存在所致，從而導(dǎo)致成形后局部覆層銅與基材鋼的變形不同步，即銅層開裂或露鋼宏觀現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.3 缺陷成因分析

通過采用多種檢測方式對復(fù)合金屬卷帶產(chǎn)品進行反復(fù)驗證試驗，在復(fù)合金屬卷帶產(chǎn)品的頭部、尾部和中間部位取樣做彎斷、杯突、沖杯（或沖盂）試驗檢測中，頭與尾部檢測后的試樣均有不同程度的覆層分層、裂紋或針狀露鋼點缺陷被檢出，如圖4所示，而中間部位取樣檢測的試樣表面均無覆層缺陷檢出。

圖4 帶卷成品頭尾沖盂檢驗結(jié)果覆層裂紋形貌

縱觀復(fù)合金屬產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝控制過程，從微觀結(jié)構(gòu)上分析復(fù)合金屬間冶金結(jié)合質(zhì)量，在復(fù)合金屬卷帶頭與尾部的一定長度范圍內(nèi)始終存在工藝差異。因此，在復(fù)合金屬卷帶的頭/尾部位，必然存在復(fù)合金屬間冶金結(jié)合質(zhì)量差異現(xiàn)象。如何對復(fù)合金屬間結(jié)合質(zhì)量進行檢驗顯得尤為重要，并可為改善和提高復(fù)合金屬產(chǎn)品成材率提供可信賴的技術(shù)支撐。

在相關(guān)YS/T 1045《裝飾裝潢用銅-鋼復(fù)合薄板和帶材》、YS/T 1104《深沖壓用銅 -鋼復(fù)合薄板和帶材》、GB/T 36162《銅-鋼復(fù)合薄板和帶材》的標準中，均規(guī)定了采用反復(fù)彎斷試驗方法檢測其復(fù)合質(zhì)量。然而，在復(fù)合金屬卷帶產(chǎn)品的實際生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制與產(chǎn)品檢測和客戶使用中，需要對其金屬間的結(jié)合質(zhì)量進行檢驗與判定。如何快捷檢出結(jié)果對研判復(fù)合金屬的結(jié)合質(zhì)量，也是控制其內(nèi)部微觀缺陷的關(guān)鍵所在。

3 檢測方法和缺陷判定[3]

3.1 反復(fù)彎斷試驗法

金屬材料通過反復(fù)彎斷后，其斷口形貌能夠直觀反映出金屬材料的內(nèi)部缺陷狀況。因此，具有冶金結(jié)合的復(fù)合金屬斷口形貌，必然會呈現(xiàn)出覆層與基材的完全緊密結(jié)合，無覆層分層，翹起等特征如圖5 c）所示。運用試樣進行反復(fù)彎斷后的破壞性試驗，肉眼觀察其斷口形貌特征如圖5所示，判定復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量。

圖5 試樣彎斷后斷口形貌

綜上所述，采用反復(fù)彎斷方法檢測復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量，無試驗裝置要求（有臺鉗即可），制樣簡單（可任意方向制樣，寬度10mm～25mm、長度200mm以上），操作便捷（反復(fù)彎斷即可），斷口缺陷形貌直觀可視。試樣彎斷后斷口形貌，可反映出試樣在厚度方向上彎斷面復(fù)合金結(jié)合層間的結(jié)合質(zhì)量，適合于折彎變形、平?jīng)_、軟態(tài)復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量檢驗。

3.2 杯突試驗方法

3.2.1 埃里克森杯突試驗

將一個球形沖頭對著被夾緊在凹模和墊模內(nèi)間的試樣，以規(guī)定的移動速度向上沖壓并不斷頂起形成一個向上凸痕，直到凸痕出現(xiàn)一條穿透性裂紋為止，如圖6所示，其試驗過程稱為埃里克森杯突試驗。沖頭移位為凸痕深度的試驗結(jié)果，稱為杯突值。以沖破的杯突值來反映金屬材料沖壓成形的塑性變形性能極限，亦可以其表面形貌來反映復(fù)合金屬產(chǎn)品的覆層缺陷。

圖6 杯突試驗試樣穿透性裂紋形貌（無覆層缺陷）

3.2.2 非頂破杯突試驗[4]

在金屬材料進行埃里克森杯突試驗時，試驗速度不大于10m/min，試樣被沖頭頂起后，在杯突曲線上升的最高點或出現(xiàn)下降的次高點停止，并使試樣不出現(xiàn)透光穿透性裂紋（見圖7）的杯突試驗[3]。以非沖破杯突值來反映復(fù)合金屬產(chǎn)品在非破壞時的沖壓成形的塑性變形性能，以表面形貌來反映復(fù)合金屬產(chǎn)品在非破壞時的覆層缺陷。

圖7 非頂破杯突試驗試樣形貌（無覆層缺陷）

3.2.3 缺陷判定[4]

（1）試樣表面覆層缺陷特征

依據(jù)YS/T 1104標準中的杯突試驗要求[3]，厚度≤0.7mm按GB/T 4156規(guī)定進行埃里克森沖破杯突試驗；厚度＞0.7mm則按YS/T 1104附錄A規(guī)定進行非頂破杯突試驗。

復(fù)合金屬產(chǎn)品進行杯突試驗后，肉眼觀察其試樣形貌表面特征，即覆層是否存在裂紋、翹起、針狀露鋼等缺陷。圖8的 a）、c）分別是沖破和非沖破杯突試驗后表面無缺陷形貌，圖8的b）、d）分別是沖破和非沖破杯突試驗后表面覆層缺陷形貌。杯突后表面針狀露鋼缺陷形貌，需在光線充足條件下或借助于手機放大鏡觀察。

圖8 試樣杯突試驗后杯突表面覆層形貌

（2）試樣上下面缺陷特征

非頂破杯突試驗更加直觀地反映出復(fù)合金屬產(chǎn)品拉延成形后的形貌特征。按照YS/T 1104標準中附錄A、附錄B的要求[3]，對產(chǎn)品的上/下（A/B）兩面分別進行杯突試驗和判定，如圖9所示。從圖9的 a）、 c）杯突上表面形貌不難看出，杯突試樣的凸起表面形貌比凹下的形貌更易觀察宏觀覆層缺陷。

圖9 杯突試驗后試樣覆層缺陷形貌

（3）杯突試驗應(yīng)用

杯突試驗進行中，試樣在施加外力后由下至上頂起，其上表面是不受外力的自由面，因此，上表面覆層僅承受一向曲面拉伸變形應(yīng)力。結(jié)合層厚度僅為1.6μm～1.9μm[1]的產(chǎn)品試樣，如果結(jié)合層間存在內(nèi)部微觀缺陷，必然會導(dǎo)致試樣的上表面拉伸應(yīng)力集中，發(fā)生覆層裂紋、翹起或針狀露鋼等宏觀缺陷。觀察經(jīng)杯突試驗后的試樣形貌，可以達到檢測拉伸成形后復(fù)合金屬產(chǎn)品是否存在結(jié)合層內(nèi)部微觀缺陷的目的。

采用杯突試驗方法檢測復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量，制樣簡單：標準制樣規(guī)格為90mm×90mm，如果僅用于觀察杯突試驗后的覆層缺陷形貌，亦可制樣規(guī)格為60mm×90mm；在微電腦杯突試驗機上進行試驗，其檢測方法操作簡單便捷，杯突試驗后的試樣覆層缺陷形貌直觀可視。杯突試驗后的試樣覆層形貌，直接反映了試樣覆層在凸起部分區(qū)域面積的結(jié)合面質(zhì)量，適合于復(fù)雜變形、深沖、軟態(tài)的復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量檢驗。用于覆層缺陷形貌檢測的杯突試驗，需在產(chǎn)品的A（上表面）和B（下表面）兩面分別進行。

3.3 沖杯試驗方法

3.3.1 試驗方法

用圓柱形沖頭將圓片試樣夾緊壓入規(guī)定的沖模中形成圓柱形杯體，檢出沖杯體的谷高和峰高，以制耳率表示金屬材料的各向異性。也可運用具有冶金結(jié)合的覆層與基材沖杯成形具有塑性變形同步原理，以沖杯體外表面形貌特征來反映復(fù)合金屬產(chǎn)品的覆層缺陷，如圖10所示。

圖10 沖試樣杯試驗后沖杯底部外表面覆層形貌

復(fù)合金屬產(chǎn)品進行沖杯試驗后，肉眼觀察其試樣形貌表面特征，即覆層是否存在裂紋、翹起、針狀露鋼等缺陷。如圖10 a）沖杯體外表面底部圓角弧處覆層完好形貌，圖10 b）沖杯體外表面底部圓角弧處覆層裂紋形貌。沖杯體外表面針狀露鋼缺陷形貌，需在光線充足條件下或借助于手機放大鏡觀察判定。

3.3.2 沖杯體受力分析

沖杯體外表面積由沖杯體底部外表面圓（以下簡稱底部圓）面積、杯壁圓柱外表面區(qū)域（以下簡稱杯壁圓柱）面積、外表面圓角弧區(qū)域 (以下簡稱圓角弧) 面積組成，如圖11所示。圓角弧是圓片在沖制拉伸成杯體形狀過程中，材料發(fā)生變形的受力變化交界區(qū)域，其各部分應(yīng)力分析如下。

圖11 沖杯體形貌截面示意圖

（1）底部圓變形應(yīng)力

沖制成形中，底部圓是無受外力的自由面，由圓心沿著圓片直徑發(fā)生徑向拉伸變形，所承受的徑向拉伸變形量沿著徑向半徑增大而增大，一向拉應(yīng)力分布由圓點向圓周成放射狀分布。

（2）杯壁圓柱變形應(yīng)力

沖制成形中，杯壁圓柱在凸模與凹模的擠壓作用下發(fā)生拉伸變形。杯壁圓柱不僅存在與底部圓一樣的徑向拉伸變形，同時在杯壁沿著環(huán)向的發(fā)生收縮變形，環(huán)向壓縮變形由圓角弧過渡到杯壁圓柱周始起，壓縮變形沿著圓片直徑圓周逐漸增大，至圓片直徑的圓周位置（杯壁圓柱上緣口）壓縮變形達到最大值，圓片的周向壓縮隨著沖頭移動而產(chǎn)生徑向延伸成形杯壁，即：由圓角弧起的一向拉應(yīng)力和二向壓應(yīng)力，逐步過渡到杯口的三向壓應(yīng)力最大值。

（3）圓角弧區(qū)域變形應(yīng)力

沖制成形中，圓角弧不受外力的自由區(qū)域面。圓角弧沿著底部圓半徑圓周起繼續(xù)發(fā)生徑向拉伸變形，同時沿著圓角弧半徑發(fā)生彎曲拉伸變形。此時，接續(xù)底部圓的徑向拉伸應(yīng)力向杯壁圓柱繼續(xù)增大并與彎曲拉伸應(yīng)力相互疊加，沿著圓角弧至杯壁處拉伸應(yīng)力達到最大。沖杯體的圓角弧處是覆層一向拉應(yīng)力最大的區(qū)域，亦是沖杯體三個變形區(qū)域中最易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域。

（4）缺陷判定

沖杯體圓角弧處承受最大的變形應(yīng)力。結(jié)合層厚度僅為1.6μm～1.9μm[1]的產(chǎn)品試樣，如果結(jié)合層間存在內(nèi)部微觀缺陷，處于圓角弧處的覆層極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而變形失穩(wěn)，使覆層不能隨著基材一起變形而被拉裂，從而導(dǎo)致沖杯體覆層在圓角弧沿環(huán)線發(fā)生覆層裂紋、翹起或針狀露鋼等宏觀缺陷。觀察經(jīng)沖杯試驗后的試樣形貌，可以達到檢測拉伸成形后復(fù)合金屬產(chǎn)品是否存在結(jié)合層內(nèi)部微觀缺陷的目的。

3.3.3 沖杯試驗應(yīng)用

由于沖杯試驗中試樣各區(qū)域變形不一致，覆層裂紋容易在應(yīng)力集中處發(fā)生，即：覆層裂紋缺陷容易在沖杯體圓角弧處發(fā)生，如圖10 b）是將彎斷或杯突不合格的相同復(fù)合金屬材料制成圓片樣，進行沖杯試驗后的沖杯體外表面底部圓角弧處覆層裂紋形貌。相比杯突試驗后的試樣覆層形貌，沖杯體圓角弧的覆層裂紋缺陷要輕得多，所以，沖杯試驗更接近復(fù)合金屬產(chǎn)品應(yīng)用的沖盂變形過程。

采用沖杯試驗方法檢測復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量，需制成規(guī)定或約定尺寸的圓片，可在杯突試驗機上增加一套沖杯試驗?zāi)＞哌M行沖杯試驗。其操作方法與杯突試驗方法基本一致，簡單便捷，試樣覆層缺陷形貌直觀可視。沖杯試驗后的試樣底部外表面形貌，可直接反映出復(fù)合金屬產(chǎn)品是否存在覆層缺陷，而且，沖杯試驗的變形過程與其材料應(yīng)用時的深拉伸變形過程趨于一致，適合于深拉伸應(yīng)用的軟態(tài)復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量檢驗。用于覆層缺陷形貌檢測的沖杯試驗，需在產(chǎn)品的A（上表面）和B（下表面）兩面分別進行。

4 小結(jié)

具有冶金結(jié)合的銅-鋼復(fù)合金屬產(chǎn)品施加外力的變形過程中，覆層與基材具有同等的變形能力。對于冶金結(jié)合界面厚度僅為1.6μm～1.9μm，總厚度為0.2mm～3.9mm銅-鋼復(fù)合金屬產(chǎn)品結(jié)合界面存在的內(nèi)部微觀缺陷，可同時采用彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗進行比對（或有選擇進行）檢測，試驗后的試樣外觀缺陷形貌，即是復(fù)合金屬產(chǎn)品內(nèi)部微觀缺陷存在的宏觀體現(xiàn)。

采用彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗三種試驗方法，檢測復(fù)合金屬產(chǎn)品的結(jié)合質(zhì)量，其檢測結(jié)果具有高度的一致性，又各自具有側(cè)重點。因此，可依據(jù)復(fù)合金屬產(chǎn)品的應(yīng)用結(jié)構(gòu)要求，選擇更接近產(chǎn)品實際應(yīng)用特性的試驗方法，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程控制進行檢測和研判，做到物盡其用，最大限度利用復(fù)合金屬資源。

5 展望

彎斷試驗、杯突試驗、沖杯試驗三種試驗方法，不僅為銅-鋼復(fù)合金屬產(chǎn)品提供了可靠的復(fù)合金屬產(chǎn)品結(jié)合質(zhì)量的檢測手段，也是復(fù)合金屬材料檢測方法的大膽創(chuàng)新嘗試，建議盡快制定銅-鋼復(fù)合金屬結(jié)合質(zhì)量的檢測方法國家或行業(yè)標準，健全銅-鋼復(fù)合金屬材料系列標準（產(chǎn)品、分析及檢測方法）。

對銅-鋼復(fù)合金屬結(jié)合質(zhì)量的檢測與判定方法，可推廣于具有冶金結(jié)合的其他雙金屬結(jié)合質(zhì)量的檢測和判定。