張海軍 曹春鵬 單清群 呂衛(wèi)群

摘要：通過測試6005A鋁合金型材的力學(xué)性能以及觀察擠壓焊縫與母材的顯微組織，判斷鋁合金型材的薄弱位置，研究薄弱位置力學(xué)性能與顯微組織的差異及其產(chǎn)生原因。結(jié)果表明：擠壓焊縫與母材顯微組織均為Mg2Si，均勻分布于鋁基體中，但擠壓焊縫處Mg2Si更粗大，分布更雜亂。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒，平均晶粒尺寸為15.5 μm。在熱擠壓過程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。6005A鋁合金型材硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW且出現(xiàn)在擠壓焊縫處。取樣位置6斷后伸長率最?。?.5%），判斷取樣位置6為該型材最薄弱位置。

關(guān)鍵詞：6005A;擠壓焊縫;力學(xué)性能;顯微組織;EBSD

中圖分類號：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0037-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.07

0? ? 前言

鋁合金因其質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、外觀平整度好、材料可重復(fù)再利用等特點受到全球各國鐵道運輸部門和城市交通運輸部門的重視[1]。高性能鋁合金材料在高速鐵路車輛制造上具有不可替代性，因此鋁合金車體在全球范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展[2]。6005A鋁合金因其密度低、力學(xué)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于高速列車車體主要結(jié)構(gòu)件。但鋁合金在擠壓過程中會造成型材擠壓焊縫處的組織結(jié)構(gòu)改變和力學(xué)性能差異[3-4]，型材構(gòu)件的不均勻性對列車的服役壽命和運行安全有著重要影響。因此，研究6005A鋁合金型材不同部位的力學(xué)性能和微觀組織差異，成為評價鋁合金型材服役性能的關(guān)鍵[5-7]。文中對鋁合金型材整體進(jìn)行硬度測試，選取關(guān)鍵位置進(jìn)行拉伸試驗，判斷鋁合金型材的薄弱位置，并觀察薄弱位置微觀組織，研究薄弱位置力學(xué)性能與顯微組織的差異及其產(chǎn)生原因。

1 試驗材料與方法

高速列車用鋁合金型材 6005A 為 Al-Mg-Si 系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，供貨狀態(tài)為T6，化學(xué)成分如表1所示，試驗選取型材如圖1所示。文中選取兩個型材作為平行樣進(jìn)行試驗。

硬度試驗采用HB-3000C電子布氏硬度計，每隔8 mm選取一個試驗點，試驗載荷為1 000 kgf，加載時間為8 s，載荷持續(xù)時間為10 s，拉伸試驗拉伸速率選取5 mm/min，得到屈服強(qiáng)度Rm、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長率A。根據(jù)《GB/T 16865-2013變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及方法》進(jìn)行拉伸試驗，取樣位置及拉伸試樣尺寸如圖1所示，剩余試樣尺寸依照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工。

對金相試樣進(jìn)行機(jī)械拋光后，利用高氯酸酒精溶液（高氯酸：無水乙醇=1∶9）進(jìn)行電解拋光，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行電子背散射衍射（EBSD）觀察晶粒尺寸及形狀。

2 結(jié)果與討論

母材和擠壓焊縫的顯微組織分別如圖2、圖3所示，放大倍數(shù)分別為200倍和500倍。對比圖2、圖3可知，母材和擠壓焊縫組織均勻，均未出現(xiàn)組織過燒。擠壓焊縫區(qū)域擠壓時阻力較大，應(yīng)力多在此集中，該處金屬的晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，成為局部高自由能區(qū)，在隨后的再結(jié)晶過程中優(yōu)先形核，為了降低界面能處于穩(wěn)定態(tài)，此處晶粒不僅異常長大，而且Mg2Si陽極相優(yōu)先析出[8]。圖中黑點為Mg2Si，是鋁合金的強(qiáng)化相，母材中Mg2Si較擠壓焊縫處分布更均勻、尺寸更細(xì)小。6005A中微量元素Cu、Cr、Mn （Cr以Al7Cr的形式存在，Mn以Al6Mn的形式存在）可以抑制熱擠壓過程中的再結(jié)晶，使得彌散相Al7Cr和Al6Mn強(qiáng)化鋁合金基體。

為進(jìn)一步觀察擠壓焊縫處晶粒取向與尺寸分布，對擠壓焊縫取樣進(jìn)行EBSD分析。圖4為擠壓焊縫EBSD結(jié)果，圖中白線為小角度晶界（2°～10°），黑線為大角度晶界（>10°）。圖5為擠壓焊縫晶粒尺寸分布。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒。鋁合金層錯能高，在熱擠壓過程發(fā)生了動態(tài)回復(fù)，使晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量亞晶界;同時，在熱擠壓過程中還發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，在條狀晶粒兩側(cè)形成大量的細(xì)小等軸晶粒。由圖5可知，擠壓焊縫處存在較多的細(xì)小晶粒，直徑小于20 μm的比例達(dá)到73.21%，尺寸越大的晶粒比例越小，最大晶粒直徑為156.78 μm，僅占0.14%，總體平均晶粒尺寸為15.5 μm。雖然在擠壓焊縫處顯微組織出現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，但是在熱擠壓過程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋使材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。

6005A鋁合金型材整體硬度測試結(jié)果如圖6所示。第一批試樣硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW，最大值為95.9 HBW;第二批試樣硬度平均值為89.434 HBW，最小值為82.4 HBW，最大值為95.9 HBW。而《TB/T3260.4-2011動車組用鋁及鋁合金：型材》中3.5節(jié)表2參考值為85 HBW。兩批試樣總體平均硬度均大于85 HBW，較低的硬度曲線波谷均出現(xiàn)在7個取樣位置，取樣位置均在擠壓焊縫處，硬度值相對其他位置較低，對比兩批試樣硬度最小值部位發(fā)現(xiàn)，硬度最小值均出現(xiàn)在型材擠壓焊縫處。通過硬度試驗結(jié)果初步判定焊縫擠壓處為鋁合金型材的薄弱位置。這與母材中Mg2Si較擠壓焊縫處分布更均勻、尺寸更細(xì)小相符合。

對稱取樣選取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗。部分拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試樣斷裂宏觀形貌如圖7、圖8所示，縱向平行于擠壓方向，橫向垂直于擠壓方向，由于該截面拉伸試驗是與其他型材同時進(jìn)行并分析的，該截面取樣位置1～7實際分別對應(yīng)16～22，分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到拉伸試驗結(jié)果如圖9所示。取樣位置1、2的厚度5 mm

對金相試樣進(jìn)行磨拋處理后，采用科勒試劑腐蝕試樣，在蔡司顯微鏡下觀察顯微組織。取樣位置6的宏觀圖片如圖11所示，圖11中的灰線為擠壓焊縫。

3 結(jié)論

鋁合金型材的力學(xué)性能取決于微觀組織，而微觀組織又受擠壓過程中熱作用的影響。通過對鋁合金型材進(jìn)行力學(xué)性能檢測和微觀組織觀察，得出以下結(jié)論：

（1）擠壓焊縫與母材顯微組織均為Mg2Si且均勻分布于鋁基體中，但擠壓焊縫處Mg2Si更粗大，分布更雜亂。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒，平均晶粒尺寸為15.5 μm。

（2）在熱擠壓過程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋使材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。

（3）鋁合金型材硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW，最大值為95.9 HBW，且最小值出現(xiàn)在擠壓焊縫處。鋁合金型材中取樣位置6斷后伸長率最小，為4.5%，低于標(biāo)準(zhǔn);取樣位置5非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和屈服強(qiáng)度最小，分別為199.07 MPa和256.74 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)要求最低值。力學(xué)性能試驗結(jié)果表明，取樣位置6為該鋁合金型材薄弱位置。

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