郭小農(nóng) 高志朋 朱劭駿 王昆 相陽 高安江

摘 要：為了研究鋁合金材料在高溫下的力學性能，完成了國產(chǎn)結構用鋁合金6082-T6、6N01-T6、6061-T4和6061-T6的高溫下恒溫加載試驗.試驗測得了4種牌號鋁合金在不同溫度下（20 ～ 300 ℃）的力學性能，包括名義屈服強度、極限強度和延伸率等力學性能指標.然而在試驗中發(fā)現(xiàn)高溫下材料應變難以準確測量，因此未能獲得各牌號鋁合金高溫下的彈性模量.將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到了4種牌號鋁合金力學性能指標高溫折減系數(shù)的計算式，為鋁合金結構的抗火性能研究打下基礎.此外，還將所得到的折減系數(shù)計算式與歐洲規(guī)范和美國規(guī)范中的建議值進行對比，結果表明規(guī)范建議值均偏安全，其中美國規(guī)范最為保守.

關鍵詞：鋁合金；高溫；拉伸試驗；力學性能

中圖分類號：TU512.4 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2018）07—0020—09

Abstract： In order to investigate the elevated-temperature mechanical behavior of aluminum alloy， tensile tests of domestic structural aluminum alloy 6082-T6，6N01-T6，6061-T4，6061-T6 under constant elevated temperatures were carried out， and their mechanical properties under various temperatures（20 ～ 300 ℃） were obtained， including the nominal yield strength， ultimate strength and elongation. It was found that the strain of aluminum alloy specimens at elevated temperature could hardly be accurately measured， leading that their elastic modulus was not obtained. The formulae of reduction factors on the mechanical properties of the 4 kinds of aluminum alloy at elevated temperatures were derived through numerical fitting method， laying a solid foundation of the research on fire resistance of aluminum alloy structures. Moreover， the theoretical formulae were compared with the reduction factors suggested by Eurocode and American Standard. The results revealed that the codes inclined to the safe side， and the American Standard was more conservative.

Key words： aluminum alloy；elevated temperatures；tensile tests；mechanical properties

鋁合金是一種新型建筑材料，和傳統(tǒng)的鋼材相比，鋁合金具有重量輕、強度高、可模性好、延展性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點，因此被廣泛應用于工業(yè)和民用建筑中[1].和鋼材相比，鋁合金的防火性能較差，隨著溫度的升高，鋁合金的強度和彈性模量下降很快[2].鋁合金材料的耐火性能直接影響到鋁合金結構高溫下的安全性，因此研究鋁合金高溫下的力學性能是十分必要的.

國外對于鋁合金高溫下的力學性能研究較為成熟。Khalifa[3]和Kaufman[4]等分別對鋁合金材料進行拉伸試驗和受彎試驗，Dorn[5]和Harmathy [6] 等提出了考慮材料蠕變效應的本構關系模型，用以模擬鋁合金材料高溫下的本構關系，Maljaars等[7]提出不同系列鋁合金高溫彈性模量公式。Maljaars等[8]還指出，鋁合金的高溫強度受蠕變變形的影響，對于5×××系列（如5083-O，5083-H12，等）鋁合金，歐洲規(guī)范[9]給出的名義屈服強度偏于不安全。

和國外的研究相比，國內(nèi)對于鋁合金高溫力學性能的研究起步較晚.2009年，彭航[10]等完成了建筑用6061-T6系鋁合金高溫下力學性能試驗研究，得出了該系列鋁合金高溫下的材料性能指標，包括抗拉強度、彈性極限強度和延伸率等力學性能參數(shù)，并根據(jù)試驗結果擬合得到高溫下的材性模型.梁水

平[11]完成了國產(chǎn)7020-T6鋁合金高溫下力學性能試驗研究，得到了該系列鋁合金的名義屈服應力、彈性模量、延伸率、抗拉強度等力學性能參數(shù)，并給出了高溫下力學性能的折減系數(shù)建議值.張輝[12]等完成了4050系鋁合金的熱壓縮實驗，得到了該鋁合金的熱變形行為及其熱加工特性.嚴紅革[13]等研究了

2024Al/Gr/SiCp復合材料高溫下的拉伸力學性能.

近年來，在建筑結構領域，除了傳統(tǒng)牌號6061-T6以及6061-T4，一些新型牌號也逐漸得到應用，比如6082-T6和6N01-T6等.對于這些國產(chǎn)牌號的鋁合金，其高溫下的力學性能研究資料非常匱乏.鑒于此，本文完成了上述4種牌號鋁合金高溫下的力學性能試驗，得出了其高溫下的力學性能指標.

1 試驗設計

1.1 試件設計

依據(jù)《金屬材料拉伸試驗》（GB/T228.1—2010，GB/T228.2—2015）[14-15]，本文設計了4種牌號的鋁合金試件共計48根，試件編號如表1所示.由于鋁合金在300 ℃以上時，承載力下降過快，同時也受限于試驗條件，故本文共設置了20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃等6個溫度點.表1還給出每根試件的實測截面尺寸.試件圖如圖1所示，所有試件均為板材拉伸試樣，名義截面尺寸為15 mm × 4 mm；為滿足高溫爐的夾持要求，等截面段長度150 mm，試件總長度300 mm.圖2給出了6082-T6系列試件在試驗前的照片.

1.2 加載和測量裝置

本試驗在同濟大學力學試驗中心完成，所用試驗儀器為島津高溫電子萬能試驗機，型號為AG-250.試驗機最大量程為250 kN，滿足試驗要求.試驗儀器由四部分組成，分別為加載裝置（見圖3）、熱與恒溫設備、位移測量側攝像頭、操作與控制裝置.由于試驗是在高溫下進行的，因此常溫位移引伸計不

再適用，本試驗采用了高清攝像頭捕捉應變；試驗前首先在試件上涂刷防火漆以加大反光率，然后在防火漆上設定光學捕捉標記，通常標記間距為20 ～ 40 mm；試驗時將高清攝像頭捕捉到的距離變化輸入到采集系統(tǒng)中，并通過標距進一步換算出應變.試件加載前在恒溫設備內(nèi)加熱，達到預設溫度后保持恒溫15 min，然后在恒定溫度下進行加載試驗.

2 試驗結果分析

各試件在加載初期，拉力增長速度很快，而拉伸變形只有少量增加，應力-應變曲線近似為一條傾斜的直線，材料處于彈性階段.當拉力增大到一定程度后，拉伸變形開始急劇增大，而拉力基本恒定，材料進入屈服階段.最后試件某個位置出現(xiàn)頸縮，荷載急劇下降，直至試件斷裂.當溫度相對較低時，試件斷裂時能聽到明顯的斷裂聲，試件斷口呈現(xiàn)45°斜破壞面；而隨著溫度升高，斷裂時的聲音逐漸微弱，斷口截面收縮更為明顯，斷口更加平直.

表2給出了所有試件的實測抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率，并給出了各組試件的試驗結果均值.圖4給出部分試件拉斷后的照片.從圖4可以看出，由于試驗條件限制，部分試件的斷口未出現(xiàn)在中部，因此表2中的延伸率數(shù)據(jù)不夠準確.

圖5給出了6082-T6系列試件和6N01-T6系列試件的實測應力應變曲線，從圖5可以看出：隨著溫度的升高，鋁合金的名義屈服強度和極限抗拉強度均不斷下降.

3 高溫下力學性能指標折減系數(shù)

高溫下和常溫下結構分析的一個主要區(qū)別在于材料性能隨溫度的變化而變化，因此結構抗火分析結果的精度很大程度上取決于分析中所采用的高溫下力學性能指標.其中最為重要的力學性能指標包括彈性模量、名義屈服強度、極限強度和延伸率等.由于試驗得到的彈性模量和延伸率不夠準確，故后文僅給出了極限強度和名義屈服強度的高溫折減系數(shù).

3.1 極限強度高溫折減系數(shù)

記k1（T）為高溫下極限強度折減系數(shù)，則為溫度T時鋁合金極限強度標準值fu（T）可按下式計算：

其中，fu為常溫下的鋁合金極限強度.采用表2中得到的試驗平均值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的抗拉強度高溫折減系數(shù)公式如式（2a）～ 式（2d）所示：

采用表2中得到的試驗數(shù)值計算得到具有95%保證率的標準值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的抗拉強度高溫折減系數(shù)公式如式（3a）～式（3d）所示：

以上各式中，溫度T的適用范圍為0 ～ 300 ℃.圖6給出了各種牌號鋁合金的高溫試驗點和擬合曲線之間的關系圖.表3列出了根據(jù)擬合公式計算得到的極限強度高溫折減系數(shù)值，并將6061-T6和美國規(guī)范[16]的結果進行了對比，美國規(guī)范沒有給出其余牌號鋁合金的極限強度高溫折減系數(shù).

3.2 名義屈服強度高溫折減系數(shù)

記k2（T）為高溫下名義屈服強度折減系數(shù)，則為溫度T時鋁合金的名義屈服強度標準值f0.2（T）可按下式計算：

其中，f0.2為常溫下的鋁合金名義強度.采用表2中試驗平均值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的名義屈服強度高溫折減系數(shù)公式如式（5a）～式（5d）所示：

采用表2中得到的試驗數(shù)值計算得到具有95%保證率的標準值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的名義屈服強度高溫折減系數(shù)公式如式（6a）～式（6d）所示：

以上各式中，溫度T的適用范圍為0～300 ℃.圖7給出了4種牌號鋁合金的高溫試驗點和擬合曲線之間的關系圖.表4列出了根據(jù)平均值擬合公式計算得到的名義屈服強度高溫折減系數(shù)值，并和歐洲規(guī)范[9]的結果進行了對比.

3.3 擬合公式和各國規(guī)范的對比

歐洲鋁合金抗火規(guī)范[9]給出了歐洲常用鋁合金的名義屈服強度高溫折減系數(shù)，但是并沒有給出極限強度的高溫折減系數(shù).圖8對比了本文的擬合公式和歐洲規(guī)范以及美國規(guī)范的建議曲線.歐洲規(guī)范推薦的合金牌號包括6061-T6和6082-T6，但沒有6N01-T6以及6061-T4；而美國規(guī)范推薦了6061-T6牌號，其余3種牌號沒有推薦.從圖8可以看出：本文的4條擬合曲線中，6061-T4的曲線明顯高于其余3條曲線，說明高溫下熱處理狀態(tài)為T4的強硬化合金受高溫影響不明顯；對于6061-T6，本文擬合曲線和EC9曲線較為接近，而本文曲線略高于EC9曲線，但均遠高于美國規(guī)范曲線，這說明美國標準非常偏于安全；對于6082-T6，本文曲線和EC9曲線也較為接近，但也略高于EC9曲線.另外，將6061-T6曲線和6082-T6曲線進行對比可以發(fā)現(xiàn)，本文擬合曲線和EC9曲線均呈現(xiàn)6061-T6高于6082-T6的情況，這表明由于6082-T6的強度更高，其受高溫的影響更為嚴重.

美國規(guī)范[16]還給出了美國常用鋁合金的極限強度高溫折減系數(shù).圖9對比本文的擬合公式和美國規(guī)范的建議曲線以及彭航等[10]的試驗結果.從圖9可以看出，本文的4條擬合曲線基本重合在一起，其中僅6N01-T6略低；本文的4條擬合曲線和美國規(guī)范相比，除了6N01-T6曲線在20 ～ 150 ℃區(qū)間略低以外，其余遠高于美國規(guī)范，美國規(guī)范對高于150 ℃區(qū)間的折減系數(shù)取值大幅偏于安全.原因為本試驗的數(shù)據(jù)點較少，且美國規(guī)范取值也偏于保守.彭航

等[10]的試驗曲線比本文的試驗曲線略高.

圖10還給出了本文擬合的曲線中6061-T6和6061-T4的對比情況.從圖10可以看出，對于名義屈服強度，6061-T4的曲線明顯高于6061-T6的曲線，這是由于6061-T4為強硬化合金，其常溫下名義屈服強度f0.2較小而強屈比較大，熱處理狀態(tài)對合金的硬化效果不顯著，因此高溫對于其名義屈服強度影響反而較小；而6061-T6為弱硬化合金，其常溫下的f0.2較大，熱處理的硬化效果顯著，以至于高溫對于其名義屈服強度的影響更為顯著.從圖10還可以看出，對于極限強度，6061-T4的曲線和6061-T6的曲線卻幾乎重合，這表明雖然熱處理狀態(tài)會影響合金的名義屈服強度，但對合金的極限強度影響有限，因而其高溫折減系數(shù)基本相同.

4 結 論

1） 本文完成了6082-T6、6N01-T6、6061-T6以及6061-T4等4種牌號國產(chǎn)鋁合金的高溫恒溫拉伸試驗，得到各試件在高溫下的名義屈服強度、極限強度、延伸率和斷面收縮率.

2） 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到了4種牌號國產(chǎn)鋁合金的名義屈服強度高溫折減系數(shù)公式和極限強度高溫折減系數(shù)公式，并和歐洲規(guī)范以及美國規(guī)范的建議值進行了對比.對比表明，本文擬合得到的高溫折減系數(shù)曲線均高于歐洲規(guī)范和美國規(guī)范，其中美國規(guī)范最為保守.

3） 為能準確地獲得鋁合金高溫彈性模量，需要對高溫下材料彈性模量的測量方法進行深入研究.為了能更加準確地了解國產(chǎn)鋁合金的高溫力學性能，還需要補充更多的試驗，建立試驗數(shù)據(jù)庫，從統(tǒng)計學角度出發(fā)，給出更為精確合理的計算公式.

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