李喜梅，湯 劍，常萬(wàn)順，李啟友

（武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院，武漢430223）

0 引 言

6000系鋁合金是一種中等強(qiáng)度的形變鋁合金，具有良好的塑性、耐蝕性、焊接性及加工成形性能，綜合性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械工程等領(lǐng)域。近年來(lái)，6061鋁合金厚板在高鐵、機(jī)械構(gòu)件及工模具制造等方面獲得了廣泛應(yīng)用。形變鋁合金板材的形變硬化特性不僅直接關(guān)系到板材的成形工藝性能，而且還會(huì)對(duì)后續(xù)的加工工序及制品的性能產(chǎn)生影響。

形變硬化特性是金屬材料非常重要的力學(xué)特性之一，其在宏觀上是形變強(qiáng)化的表現(xiàn)，在微觀上則反映出材料的形變強(qiáng)化機(jī)制。形變硬化特性可用應(yīng)變硬化指數(shù)（n）和硬化曲線(xiàn)表征，其中，應(yīng)變硬化指數(shù)表示金屬材料在塑性變形階段的硬化程度，代表了材料抵抗持續(xù)變形的能力，工程上將其作為評(píng)價(jià)金屬板材冷成形性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

據(jù)資料顯示，劉俊等［1］研究了四種厚度為2mm的形變鋁合金薄板的形變硬化特性，武晉［2］對(duì)厚度為1mm的6061鋁合金冷軋薄板的沖壓成形性能進(jìn)行了研究，但目前還少有人研究6061鋁合金厚板的形變硬化特性。

為促進(jìn)鋁合金厚板在工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，提高厚板結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)水平，作者對(duì)20mm厚6061-T6鋁合金熱軋厚板的顯微組織及形變硬化特性進(jìn)行了研究，為鋁合金厚板在工程領(lǐng)域的應(yīng)用及開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為20mm厚的商用6061-T6鋁合金熱軋厚板，其化學(xué)成分如表1所示。該6061-T6熱軋厚板的生產(chǎn)工藝為：扁錠（連續(xù)鑄造鑄錠）→均勻化→多道次熱軋→固溶處理→預(yù)拉伸→時(shí)效。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 6061aluminum alloy（mass） %

按GB／T 3246.1-2000和GB／T 3246.2-2000，沿板材中心線(xiàn)制取金相試樣，經(jīng)2.5%HNO3＋1.5%HCl＋1.0%HF＋95%H2O（體積分?jǐn)?shù)）溶液腐蝕10s后，采用 NIKON ECLIPSE LV100POL型透反射偏光顯微鏡（OM）以及JXA-8230／INCAX-ACT型掃描電鏡（SEM）觀察顯微組織，采用掃描電鏡附帶的Inca X-Act型能譜儀（EDS）測(cè)定析出相的化學(xué)成分。

按圖1所示在6061-T6鋁合金熱軋厚板上沿與軋向成0°，45°，90°的方向按 GB／T 228-2002制取拉伸試樣，如圖2所示，然后按照 GB／T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在RGM-4300型微機(jī)控制電子拉伸材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5mm·min-1。

n值的高低直接反映了材料頸縮前依靠硬化使材料均勻變形的能力，可通過(guò)真應(yīng)力與真應(yīng)變的冪指數(shù)關(guān)系［3］（Hollomon方程）求得。

圖1 拉伸試樣的取樣示意Fig.1 Schematic diagram of sampling for tensile testing

圖2 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and size of tensile sample

s＝C×en（1）

式中：s為真應(yīng)力，MPa；e為真應(yīng)變，%；C為強(qiáng)度系數(shù)，MPa；n為應(yīng)變硬化指數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

鑄錠的均勻化處理使得枝晶偏析消除，鑄態(tài)組織消失，晶界清晰；在軋制力作用下，鑄錠發(fā)生塑性變形，同時(shí)金屬內(nèi)部的等軸晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，沿縱截面變形方向呈條狀帶形分布，如圖3（a）所示，橫截面上晶粒的方向性不及縱截面的明顯，如圖3（b）所示，但其它的組織特征與縱向的相似。

圖3 6061-T6鋁合金厚板的OM形貌Fig.3 OM morphology of 6061-T6aluminum alloy plate：（a）longitudinal section and（b）cross section

由圖4可以看出，鋁合金基體中分布著很多大小不一的脫溶平衡相粒子及金屬間化合物，并呈明顯的軋制方向取向，保留了軋制態(tài)特征。

由圖5可知，析出相粒子和金屬間化合物呈白色長(zhǎng)條狀、淺灰色方塊狀和黑色類(lèi)球狀。經(jīng)能譜分析（表2）知它們主要為脫溶平衡相Mg2Si及富硅、錳、銅、鐵的金屬間化合物 Al2CuMg、Al5FeSi、Al6（Fe，Mn）、CuAl、CuMgAl［7-9］2。

圖4 6061-T6鋁合金厚板的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of 6061-T6aluminum alloy plate：（a）cross section and（b）longitudinal section

圖5 6061-T6鋁合金厚板中析出相粒子及金屬間化合物的背散射電子像Fig.5Backscattered electron image of precipitation phase particles and intermetallic compounds in 6061-T6aluminum alloy plate

2.2 形變硬化特性

在金屬材料拉伸均勻變形階段求解n值有多種數(shù)學(xué)方法，不同的方法求得的n值不同，作者根據(jù)GB 5028-2008測(cè)定應(yīng)變硬化指數(shù)n。

由圖6可見(jiàn)，不同方向拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的物理屈服平臺(tái)，其屈服強(qiáng)度采用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2表示，即在橫軸上找到應(yīng)變?yōu)?.2%的點(diǎn)，過(guò)此點(diǎn)作平行于應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)彈性段的輔助線(xiàn)，并與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)相交，相交點(diǎn)即為Rp0.2。6061-T6鋁合金厚板的拉伸性能如表3所示。

n值計(jì)算過(guò)程如下：通過(guò)圖6所示的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，在Rp0.2～Rm（抗拉強(qiáng)度）的均勻塑性形變區(qū)間，利用RGM-4300微機(jī)軟件程序中RG test控制系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，獲得采集點(diǎn)的條件應(yīng)力σti、條件應(yīng)變?chǔ)舤i，根據(jù)式（2）和（3）計(jì)算采集點(diǎn)的真應(yīng)力si和真應(yīng)變ei。

表2 6061-T6鋁合金厚板中析出相粒子（1點(diǎn)）及金屬間化合物（2～4點(diǎn)）的EDS分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results of precipitation phase particles（point 1）and intermetallic compounds（points 2-4）in 6061-T6aluminum alloy plate %

圖6 不同方向拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 Stress-strain curves of tensile sample in different directions

si＝σti（1＋εti） （2）

ei＝ln（1＋εti） （3）

對(duì)式（1）兩邊分別取對(duì)數(shù)，得一元線(xiàn)性回歸方程：

lgs＝lgC＋nlge （4）

根據(jù)式（5）計(jì)算n值。

式中：N為采集點(diǎn)的數(shù)量。

均勻塑性變形階段的應(yīng)變硬化指數(shù)n、相關(guān)系數(shù)r、強(qiáng)度系數(shù)C及Hollomon方程見(jiàn)表4。

表3 不同方向試樣的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of samples in different directions

表4 不同方向拉伸試樣的應(yīng)變硬化特性Tab.4 Strain hardening characteristics of tensile sample in different directions

2.3 應(yīng)變硬化曲線(xiàn)

在金屬材料形變硬化特性研究中，真實(shí)應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)表示的硬化過(guò)程曲線(xiàn)又稱(chēng)為流變曲線(xiàn)。由圖7可見(jiàn)，不同方向拉伸試樣的硬化曲線(xiàn)均呈冪乘拋物線(xiàn)形，存在取向性差異；在均勻塑性變形過(guò)程中其形變硬化能力隨著應(yīng)變的增加而增大［7-12］。

3 結(jié) 論

圖7 不同方向拉伸試樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.7 True stress-true strain curves of tensile sample in different directions

（1）6061-T6鋁合金熱軋厚板的晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，脫溶平衡相粒子Mg2Si及金屬間化合物保留了軋制態(tài)特征；不同方向拉伸試樣的拉伸性能和應(yīng)變硬化指數(shù)存在取向性差異，但差異不大。

（2）不同方向拉伸試樣的硬化曲線(xiàn)均呈冪乘拋物線(xiàn)，在均勻塑性變形過(guò)程中的形變硬化能力均隨著應(yīng)變的增加而增大。

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