YST 1774-2025 铜-钢复合金属复合质量及各向异性的检验 冲杯试验方法标准立项发展报告

铜-钢复合金属复合质量及各向异性的检验冲杯试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodforCompositeQualityandAnisotropyofCopper-SteelLaminatedMetalbyCuppingTest摘要铜-钢复合金属材料兼具铜的导电导热性与钢的高强度低成本优势，在电力电子、轨道交通、海洋工程及新能源装备等领域广泛应用，其复合界面质量与力学性能各向异性直接决定构件服役安全与成形工艺设计。然而，长期以来国内外缺乏针对铜-钢复合金属冲杯试验的专用检测方法标准，各生产与使用单位多参照单金属薄板冲杯标准或企业内部规范执行，导致检测结果可比性差、质量争议频发，严重制约了该材料体系的标准化生产和工程应用。本文系统阐述了《铜-钢复合金属复合质量及各向异性的检验冲杯试验方法》（标准编号：YS/T1774-2025）的立项背景、编制原则与关键技术内容，介绍了主要起草单位的专业能力及标准实施后的预期效益，并就标准未来修订方向提出了展望。该标准作为有色金属行业推荐性标准，将于2025年11月1日正式实施，填补了国内铜-钢复合金属专用冲杯试验方法标准的空白，对统一行业检测尺度、提升产品质量稳定性、促进产业链协同发展具有重要意义。关键词：铜-钢复合金属；复合质量；各向异性；冲杯试验；方法标准；有色金属行业标准；金属材料机械试验Keywords:copper-steellaminatedmetal;compositequality;anisotropy;cuppingtest;methodstandard;non-ferrousmetalsindustrystandard;mechanicaltestingofmetallicmaterials一、引言1.1研究背景随着国家“双碳”战略的深入推进和高端制造产业的快速升级，兼具多性能协同优势的层状金属复合材料日益成为材料科学与工程应用领域的研究热点。铜-钢复合金属材料通过爆炸复合法、轧制复合法、扩散焊接法等工艺将纯铜（或铜合金）与碳素钢（或不锈钢）进行冶金结合，既保留了铜层优异的导电性、导热性和耐腐蚀性，又充分发挥了钢基体的高强度、低成本优势。该类材料已广泛应用于电力母线排、高速铁路接触网零部件、海水淡化热交换设备、电子封装散热基板以及新能源电池连接片等关键领域，市场需求持续攀升。然而，铜-钢复合金属材料在实际生产与使用过程中面临一个突出的技术瓶颈——复合界面结合质量的可靠评价与各向异性行为的准确表征。由于铜层与钢层的晶体结构、力学性能和热物理性能存在显著差异，材料在轧制或爆炸复合过程中会形成明显的织构取向和界面微观组织梯度，进而导致其力学性能呈现显著的各向异性特征。复合界面的结合质量（如界面剪切强度、结合率等）直接关系到材料在后续冲压、弯曲、深拉延等成形加工中的可靠性，而各向异性则显著影响材料的成形极限与制耳行为。冲杯试验（CuppingTest，亦称杯突试验或Erichsen试验）作为一种经典的成形性能评价方法，通过在球形冲头上施加压力使试样发生局部胀形直至破裂，以杯突深度值（IE值）评价板材的冲压成形性能，同时可通过杯口制耳率评估板材面内各向异性。该方法已在单金属板材的质量控制中得到广泛应用。然而，对于铜-钢复合金属材料，由于复合界面在变形过程中的协调变形机制复杂、界面失效模式多样，直接套用单金属材料的冲杯试验标准存在明显的不适应性，亟需制定专用的试验方法标准。1.2标准立项的必要性（1）行业检测标准缺失，方法不统一。截至目前，我国尚未出台针对铜-钢复合金属材料冲杯试验的专项标准。现行相关标准如GB/T4156-2020《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》主要适用于单层金属材料，对于复合金属材料的适用性缺乏明确规定。各生产企业和检测机构在实际操作中多自行制定企业规程，或在参照单金属标准的基础上对制样方法、试验速度、评定规则等参数进行经验性调整，导致不同单位出具的检测数据缺乏可比性，严重影响了产品质量判定的一致性和公正性。（2）复合材料的特殊失效模式需要专门规定。铜-钢复合金属在冲杯变形过程中可能出现分层开裂、界面滑移、铜层局部减薄等特有的失效模式，这些均不同于单金属材料的单纯破裂行为。试验结果的评定不能仅以杯突深度为唯一判据，还需综合考虑界面状态、裂纹形貌、分层程度等因素。这要求在标准中对试验结果的综合评定规则给予专门规定。（3）各向异性评价亟需统一方法。铜-钢复合金属经轧制后，其力学性能在不同方向上呈现明显差异。冲杯试验中杯口制耳率的测定是评价板材各向异性最直观有效的方法之一，但制耳的测量方法、计算公式、取样方向等在现行标准中均未给出明确规定。为满足下游用户对材料成形一致性的要求，急需在标准层面对各向异性的评价方法进行统一规范。1.3标准编制依据本标准的编制严格遵循GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定，在充分调研国内外相关标准和技术资料的基础上，结合有色金属行业的技术特点和产业需求进行编写。标准编制过程中参考了以下主要文件和资料：-GB/T4156-2020《金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验》-GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》-GB/T24179-2009《金属材料残余应力测定压痕应变法》-YS/T1036-2015《镁合金热挤压无缝管材》-ASTME643-15《StandardTestMethodforBallPunchDeformationofMetallicSheetMaterial》-ISO20482:2013《Metallicmaterials—Sheetandstrip—Erichsencuppingtest》-国内外相关学术论文及行业调研资料二、标准主要内容2.1标准适用范围本标准规定了铜-钢复合金属复合质量及各向异性检验的冲杯试验方法的术语和定义、试验原理、试验设备、试样制备、试验步骤、试验结果评定及试验报告等内容。本标准适用于厚度为0.3mm～3.0mm的铜-钢复合金属板材及带材的复合质量和各向异性评价，其他厚度规格的铜-钢复合金属材料可参照执行。2.2术语和定义标准中对以下关键术语进行了规范定义：-复合质量：指铜-钢复合金属材料中覆层（铜层）与基体（钢层）之间界面结合状态及结合性能的综合表征，包括界面结合率、界面剪切强度等指标。-各向异性：指金属材料在轧制方向（RD，RollingDirection）、横向（TD，TransverseDirection）及45°方向等不同取向上所表现出的力学性能和成形性能的差异性。-杯突值（IE值）：在冲杯试验中，从试样表面开始出现穿透性裂纹（或规定的界面分层损伤）瞬间所对应的冲头位移量，单位为毫米（mm）。-制耳率：冲杯试验后杯口边缘形成的波浪状凸耳高度与杯体平均高度的比值，用以表征板材面内各向异性程度。2.3试验原理本标准所述冲杯试验方法的原理为：将试样牢固压紧于压边圈与凹模之间，采用球形冲头以规定的速度向试样施加冲压力，使试样在双向拉应力状态下发生胀形变形，形成半球形杯状。随着冲头位移的持续增加，试样中心区域厚度逐渐减薄，最终在变形最大区域发生破裂或界面分层失效，记录失效瞬间的冲头位移量作为杯突值。同时，对成形后的杯状试样沿杯口边缘测定制耳高度分布，计算制耳率以评定材料的各向异性程度。对于铜-钢复合金属材料，试验过程中还需重点关注复合界面在变形过程中的状态变化。当界面结合质量不良时，试样可能在界面处发生分层开裂，其失效模式与单金属材料的破裂模式存在本质区别，应予以专门记录和评定。2.4试验设备标准对试验设备提出以下主要要求：-试验机：应具备刚性机架和稳定的加载系统，冲头位移速度应可控制在5mm/min～20mm/min范围内，位移测量精度不低于0.01mm，载荷测量精度不低于±1%。-冲头：采用球形冲头，直径尺寸分为φ20mm和φ30mm两个系列，以适应不同厚度规格的试样。冲头材料硬度不低于60HRC，工作表面粗糙度Ra不大于0.4μm。-凹模与压边圈：凹模内径与冲头直径的匹配关系应符合标准规定，凹模工作表面粗糙度Ra不大于0.8μm。压边圈应能施加足够的压边力以防止试样在试验过程中发生起皱。-制耳测量装置：可采用机械式高度规、光学投影仪或三维光学测量系统，测量精度不低于0.02mm。2.5试样制备标准对试样制备作了详细规定：-取样方向：试样应在板材的轧制方向（RD）、横向（TD）以及与轧制方向成45°夹角的方向分别截取，每组方向取样数量不少于3个，以综合评价材料的各向异性特征。-试样形状与尺寸：试样采用方形或圆形薄板，推荐尺寸为100mm×100mm（方形）或φ100mm（圆形），厚度为材料原厚。对于厚度大于2.0mm的材料，允许通过单面均匀机加工减薄至规定范围，但应保证铜层厚度与钢层厚度的比例关系不被显著改变。-试样制备要求：试样边缘应平整、无毛刺、无裂纹和其他加工缺陷。试样表面不应有影响试验结果的划痕、油污、锈蚀等。制样过程中应避免因机械加工导致试样产生附加应力和温升。-试样数量：每个试验条件下有效试样数量不少于3个，报告结果时取算术平均值。2.6试验步骤标准对试验步骤进行了系统规范：1.试样测量：在试样中心区域及距边缘不少于10mm的区域测量厚度，取算术平均值作为试样的名义厚度，测量精度不低于0.01mm。2.试样安装：将试样置于凹模与压边圈之间，确保试样中心与冲头轴线重合，施加规定的压边力（推荐范围为5kN～20kN，根据材料厚度和强度确定）。3.冲杯成形：启动试验机，以规定的速度驱动冲头向试样施加压力，直至试样发生穿透性破裂或出现规定的失效判据。记录冲头位移-载荷曲线。4.失效判定：试验过程中出现的载荷突降（下降幅度超过峰值载荷的20%）或试样表面出现贯通性裂纹，判定为试验终了点。5.制耳率测定：对成形后的杯状试样，沿杯口边缘以等间距（间隔不超过15°）测量杯口边缘距杯底参考平面的高度，按标准规定的公式计算平均制耳高度和制耳率。6.界面状态检查：对杯形件进行剖面检查或采用超声波无损检测方法评价界面结合状态，记录是否存在分层、开裂等界面缺陷。2.7试验结果评定2.7.1复合质量评定标准规定，铜-钢复合金属的复合质量等级根据冲杯试验结果和界面检查结果进行综合评定，分为I级（优）、II级（良）和III级（合格）三个等级。评定指标包括杯突值、界面分层面积率、裂纹形态特征等。其中，界面分层面积率通过剖面金相检查或超声波C扫描方法测定，应按标准规定的方法进行计算和评定。2.7.2各向异性评定各向异性评定的核心指标为制耳率。标准规定制耳率按照下式计算：EarRate=(H_avg_ear/H_avg_body)×100%其中，H_avg_ear为各凸耳高度的算术平均值，H_avg_body为杯体平均高度。标准同时给出了不同轧制工艺条件下典型制耳率范围的参考值，作为材料成形性能优劣的参考判据。2.8试验报告标准对试验报告的内容作出明确规定，报告应至少包括以下信息：-标准编号及标准名称；-材料名称、牌号、规格、生产批次及生产单位；-试样厚度、取样方向及试样编号；-试验设备型号、冲头直径、冲头速度及压边力等试验参数；-各试样的杯突值及平均值；-制耳率测量结果及各向异性评价结论；-复合质量等级评定结果；-界面检查方法及检查结果；-试验日期、试验人员及检测机构信息。三、主要起草单位介绍本标准由有色金属行业权威标准化技术归口单位组织起草制定，主要起草单位为中国有色金属工业标准计量质量研究所（以下简称“标准所”）联合国内铜-钢复合金属材料领域的重点生产企业、科研院所和检测机构共同编制完成。3.1中国有色金属工业标准计量质量研究所中国有色金属工业标准计量质量研究所成立于1984年，是经原中国有色金属工业总公司批准设立、现隶属于中国有色金属工业协会的行业综合性标准化研究机构。作为全国有色金属标准化技术委员会（SAC/TC243）的秘书处承担单位，标准所全面负责有色金属行业国家标准的组织起草、技术审查、宣贯培训及咨询服务等工作，在有色金属材料试验方法标准的制定方面积累了四十余年的丰富经验。标准所拥有一支高素质的标准化专业人才队伍，现有研究人员中具有高级技术职称者占比超过50%，专业涵盖材料科学、金属压力加工、分析检测、标准化工程等多个学科领域。近年来，该所先后主持或参与制修订国家标准和行业标准200余项，其中多项标准获得中国标准创新贡献奖。在金属材料力学性能试验方法领域，该所主导制定了多项薄板成形性能试验方法标准，在冲杯试验技术方面具有深厚的理论积淀和实践经验。在《铜-钢复合金属复合质量及各向异性的检验冲杯试验方法》标准的编制过程中，标准所负责标准框架设计、技术内容统筹、试验验证方案制定、标准文本编写及征求意见汇总处理等核心工作，为标准的科学性和规范性提供了有力保障。3.2主要参编单位本标准在编制过程中还汇聚了行业内多家优势单位的技术力量，包括：-中铝洛阳铜加工有限公司：国内大型铜加工企业，在铜-钢复合金属板带材的生产工艺开发和质量控制方面具有丰富经验，负责提供不同复合工艺条件下的试验验证材料及生产应用反馈。-北京有色金属研究总院：在金属基复合材料界面characterization和各向异性机制研究方面具有深厚积累，承担了标准中试验结果评定方法的理论支撑和试验验证工作。-中国科学技术大学材料科学与工程系：在材料力学行为的各向异性理论建模和有限元数值模拟方面提供了学术支撑，为标准中制耳率评定方法的合理性论证提供了理论依据。四、标准实施的意义与预期效益4.1统一行业检测技术尺度本标准发布实施后，将为铜-钢复合金属材料的生产企业、使用单位和第三方检测机构提供统一的试验方法和评定准则，从根本上解决当前行业内冲杯试验操作不一、数据缺乏可比性的问题。通过标准引领，各相关方可在同一技术尺度下开展质量检测和性能评价，有效减少因检测方法差异导致的质量争议，促进贸易公平和产业链协同。4.2推动产品质量提升和技术进步标准的实施将促使生产企业对标国际先进水平，优化复合工艺参数，改进产品质量。标准中关于复合质量分级评定和各向异性评价的量化指标，为企业内部质量管控和质量改进提供了明确的技术目标。同时，标准化检测方法的建立也为新材料、新工艺的研发验证提供了可靠的评价工具，有利于加速铜-钢复合金属材料领域的技术创新和成果转化。4.3支撑高端应用领域的需求随着新能源汽车、特高压输电、高速轨道交通等战略性产业的