Standards und Eigenschaften: Mechanische Eigenschaften von Kupfer und Kupferlegierungen bei niedrigen Temperaturen

Veröffentlichungsnummer: 144/8

Kupferlegierungen werden mit sinkender Temperatur fester und duktiler. Sie behalten außerdem eine hervorragende Schlagfestigkeit bis 20 K bei. Diese allgemeinen Eigenschaften wurden in Tests an 15 Kupferlegierungen, darunter Messing, Bronze und kommerziell reines Kupfer, festgestellt. Sie wurden von der Cryogenics Div., National Bureau of Standards, für die Kupfer- und Messingindustrie getestet, um Zugfestigkeit, Kerbzugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Schlageigenschaften bei Temperaturen bis zu 4 K (-454 F) zu prüfen. Die hier präsentierten Informationen basieren auf einem Bericht von RP Reed und RP Mikesell „Low Temperature Mechanical Properties Of Copper and Selected Copper Alloys“, NBS Monograph 101, Institute for Materials Research, National Bureau of Standards, Boulder, Colorado 80302.

Tests – Die Zusammensetzung und der Zustand dieser Legierungen – d. h. für standardmäßiges, im Handel erhältliches Walzgut – sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zugproben mit einer Messlänge von 1,5 Zoll lieferten die Daten zum Elastizitätsmodul. Kerbspannungstests (auch 1,5-Zoll-Messlängen) und Spannungstests wurden mit dem Kryostaten und der zugehörigen Ausrüstung durchgeführt. Die Tests wurden bei 295 (Umgebungstemperatur), 195, 76, 20 und 4 K durchgeführt. Es wurde eine Instron-Testmaschine mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,02 Zoll pro Minute verwendet. Testverfahren werden von RA Warren und RP Reed in NBS Monograph 63 beschrieben.

Ergebnisse — Die Abbildungen auf den folgenden Seiten zeigen das Spannungs-Dehnungs-Verhalten. In Tabelle 2 sind die Durchschnittsdaten für jede Legierung für alle Tests und Temperaturen aufgeführt. Die Datenstreuung betrug in den meisten Fällen weniger als ± 1 %.

Bei Kupfer 102 trat im zu 60 % kaltgezogenen Zustand eine erhebliche Streuung der Schlagzähigkeit auf. Dies hing mit der Korngröße zusammen. Die metallografische Untersuchung ergab, dass die Proben mit hoher Schlagzähigkeit (113 bis 115 ft-lb) kleine Körner aufwiesen, während die Proben mit niedriger Schlagzähigkeit (57 bis 84 ft-lb) große Körner aufwiesen.

Gealterte Kupferlegierung Nr. 647, enthält jedoch nur etwa 2,5 Gew.-% Kupfer. % Legierungselemente erwiesen sich als wesentlich stärker als jede andere getestete Legierung. Die Schlagzähigkeit bleibt hoch und die Kerbzugfestigkeit nimmt zwar bei 4 K ab, ist aber im Vergleich zur Zugfestigkeit gut. Darüber hinaus nimmt die Dehnung bei niedrigen Temperaturen zu.

Mit Ausnahme der sandgegossenen Nickel-Aluminium-Bronze-Legierung hatten alle Legierungen Kerb-zu-Unkerb-Zugverhältnisse über eins und gute oder sehr gute Schlageigenschaften. Lediglich die Sandgusslegierung war bei niedrigen Temperaturen spröde. Bei den meisten Legierungen nehmen Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Kerbzugfestigkeit im Temperaturbereich von 295 bis 20 K zu. Die Bruch- und Streckgrenze der meisten Legierungen ist bei 4 K geringer als bei 20 K. Bei allen Spannungen ist eine diskontinuierliche Streckgrenze erkennbar -Dehnungskurven bei 4 K.