李文瀚，孫 堯

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111000）

0 前言

鋁合金憑借低密度、高強度、優(yōu)良的導電性、導熱性和抗腐蝕性等優(yōu)點廣泛應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中[1-2]。如今，隨著工業(yè)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對鋁合金構件的需求日益增多，因此，鋁合金的力學性能也顯得至關重要。拉伸試驗是獲取力學性能的主要途徑之一，鋁合金拉伸性能主要取決于化學成分、組織結構、表面內部缺陷等[3]，但在日常的拉伸試驗中，發(fā)現(xiàn)相同的合金及狀態(tài)在不同的拉伸環(huán)境中數(shù)據(jù)會產(chǎn)生偏差，可靠性大大降低。本文針對室溫條件下試樣制取、試樣形狀、試驗速率、試驗設備及測量工具、試驗員操作等因素對拉伸性能檢測結果的影響進行了分析并制定了相應措施。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試樣材料分別為6060-T6鋁合金管材、型材，6005A-T6型材及6061-T6厚板型材，斷面圖分別為圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 管材斷面圖

圖2 型材斷面圖

圖3 型材斷面圖

圖4 棒材斷面圖

1.2 試樣加工

按國家標準GB/T 16865-2013，在圖1中的取樣位置1A處機械加工成圓形標準試樣，并利用車床在其表面加工出不同程度的加工痕，見圖5；在圖1中的取樣位置1A處分別加工成圓形標準試樣和弧形標準試樣；在圖2中的取樣位置1處機械加工成矩形標準試樣；在圖3中的取樣位置5處機械加工成矩形標準試樣；圖4中板材厚度的1/4和1/2處分別機械加工成圓形標準試樣。

2 外界影響因素與相應措施

2.1 試樣制取的影響

2.1.1 取樣

塑性材料進行機械加工處理時，如果選用的刀具金屬材料比較軟，那么在切削的過程中塑性材料會對刀具造成擠壓，使其產(chǎn)生變形。若繼續(xù)使用變形的刀具加工，試樣表面會出現(xiàn)質量問題，并且碎粒量會增多，導致切削出現(xiàn)崩裂。為提高塑性材料表面加工質量，應合理地根據(jù)樣坯材料選取刀具，優(yōu)化機械加工條件，提高機床精度，避免刀具變形，有效減少積屑瘤的產(chǎn)生，從而改善塑性材料機械加工時產(chǎn)生的表面質量問題，降低對拉伸性能的影響[4-5]。

試樣機械加工的過程中，進給量、切削速度、磨削用量及砂輪粒度等因素均會導致表面加工硬化[6]，進而影響試樣表面質量。試樣表面凹凸不平的痕跡在拉伸過程中產(chǎn)生應力集中，造成缺口，最終會影響到材料脆性的檢測結果[7]。通過加工手段在6060-T6合金圓形標準試樣的表面加工出不同程度的加工痕，如圖5所示。表1為經(jīng)處理后的試樣拉伸試驗結果（加工痕深度由淺至深）。

圖5 試樣加工痕

表1 不同加工痕的力學性能指標

試樣1#為圓形標準試樣，表面質量未經(jīng)破壞。由表1可知，隨加工痕跡的逐漸加深，試樣的力學性能指標變化不明顯。當破壞達到一定程度時，試樣迅速斷裂，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂性質。這是由于在拉伸的過程中，加工的痕跡足以造成應力集中缺口，隨著拉力的增加，材料局部抗拉強度不足以抵抗缺口處的集中應力，從而逐漸形成裂紋，最終在缺口處斷裂。加工痕越深，局部抗拉強度越低，試樣斷裂得越快。因此，機械加工后的試樣要進行研磨或拋光，盡量保留原軋制面，防止加工痕對試驗結果產(chǎn)生影響。為避免試樣制取時的加工硬化及熱影響，在機加工過程中應充分使用冷卻液，通過適當?shù)你姾湍ハ魇侄芜M行加工。

除此之外，取樣方向、取樣位置均在不同程度上影響鋁合金拉伸性能的檢測結果。在圖3的取樣位置5處分別對平行軋制方向和垂直軋制方向進行機械加工，取矩形標準試樣。表2示出了取樣方向對力學性能檢測結果的影響。由表2可知，平行軋制方向材料的力學性能較高，斷后伸長率的差距尤為明顯。鋁合金在生產(chǎn)過程中受合金元素、熱處理條件及軋制制度等因素影響使其性能存在各向異性，導致不同取樣方向力學性能指標存在明顯差異。因此，為避免產(chǎn)生性能差異，取樣時應統(tǒng)一取樣方向，一般取平行軋制方向。

表2 不同取樣方向的力學性能指標

在6061-T6合金板材厚度的1/4和1/2處取圓形標準試樣，表3為取樣位置對力學性能指標的影響。由表3可知，同一厚度處的試樣力學性能非常穩(wěn)定，而對比不同厚度的試樣性能存在明顯差異。板材厚度1/4處取樣的試樣力學性能要高于1/2處。這可能與鋁合金在加工過程中其化學成分、金相組織以及冶金缺陷等分布不均勻有關。澆鑄時由于流速不同，材料局部的化學成分和金相組織呈現(xiàn)出整體的不一致性；擠壓時由于模具口形狀的不同也會導致流速的不同，影響材料的致密度，從而影響材料的力學性能。在取樣時，必須注重試樣位置的選取，以保障檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和整體合格率。

表3 不同取樣位置的力學性能指標

因此，在檢測工作中應正視這些因素對力學性能數(shù)據(jù)的影響，優(yōu)化操作方案，以提高試驗結果的可靠性[8]。

2.1.2 試樣尺寸

由于應變速率與橫梁位移分離速率轉換公式為試樣平行長度×設定的應變速率，因此試樣平行長度的精準加工對橫梁位移分離速率有直接影響。同時，拉伸強度性能指標與試樣的尺寸也存在必然聯(lián)系，以矩形試樣為例：

式中F為試驗力，N；a0為試樣原始厚度，mm；b0為試樣加工實際寬度，mm；在強度性能指標的計算中，a0、b0均為實際測量值，試樣尺寸公差對強度性能指標的影響可以忽略不計。但在實際試樣加工過程中，不可能保證試樣平行段寬度均一，這時形狀公差就會給拉伸性能檢測帶來影響。假設試樣寬度公差為Δ，則實際的強度性能指標為：

因此，由形狀公差導致的誤差公式為：

由此可知，試樣的形狀公差對拉伸性能檢測有影響。在試樣的制備中，試樣的尺寸要嚴格遵循國家標準或企業(yè)要求，形狀公差也應符合相應試驗方法的規(guī)定[9]。

2.2 試樣形狀的影響

國家標準GB/T 6397-1986指出，一種試料或樣坯可以選取不同形狀的試樣進行拉伸試驗[10]，但根據(jù)企業(yè)要求和實際生產(chǎn)情況，拉伸試樣只能選取一種形狀[11-12]。

在圖1的取樣位置1A處機械加工出圓形標準試樣和弧形標準試樣。圖6示出了這兩種不同試樣形狀的力學性能。由圖6可知，試樣的抗拉強度與規(guī)定塑性延伸強度具有相同的波動趨勢，但數(shù)值波動不明顯，說明兩種形狀的試樣力學性能均非常穩(wěn)定。相比之下，弧形標準試樣的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度高于圓形標準試樣，這可能與試樣的厚度有關[13]。對樣坯進行取樣時，弧形標準試樣的厚度與樣坯厚度相同，而圓形標準試樣需進一步對樣坯進行機械加工，使其直徑小于原始厚度?；⌒螛藴试嚇优c圓形標準試樣的伸長率相差較大，這是由金屬流動的最小阻力定律決定的。在試樣變形過程中，變形體中的質點具有沿不同方向流動的趨勢，但最終將會沿著阻力最小的方向流動[14]。對于非圓形斷面試樣，在其變形過程中，棱角部位的變形量大，邊部中心處變形量小，在試樣保持不斷裂的情況下，應盡量使斷面的周界最小，最終趨于圓形斷面。拉伸過程中，當延伸量相同時，非圓形斷面的棱角部位的變形量要大于圓形斷面，因此會更早斷裂，伸長率降低。由此可知，試樣形狀直接影響試驗結果。因此，在進行檢測時要慎重選取試樣形狀，以免造成不必要的損失。

圖6 不同試樣形狀的力學性能指標

2.3 試驗速率的影響

在金屬拉伸試驗中，拉伸速率對材料性能檢測結果具有不可忽略的影響。理論認為試驗速率對拉伸性能有規(guī)律性影響，試驗速率增加，強度性能指標（如屈服強度和抗拉強度等）趨向升高，延性性能指標（如斷后伸長率和斷面收縮率等）趨向降低，但影響程度隨試驗材料的不同而不同；試驗速率降低，其影響規(guī)律則反之[15]。但在日常鋁合金拉伸試驗中，我們發(fā)現(xiàn)并非完全如此[16]。

在圖2的取樣位置1處機械加工出矩形標準試樣。圖7示出了試驗速率對力學性能數(shù)據(jù)的影響。速率分別為18 MPa/s、30 MPa/s、60 MPa/s、80 MPa/s。由圖7可知，拉伸速率的改變對強度性能指標影響較小，數(shù)值只產(chǎn)生一定幅度的波動。為提高檢測效率，可適當提高試驗速率，但對于敏感性高的鋁材可通過自身試驗數(shù)據(jù)制定試驗方案。由此可知，拉伸速率的選取對試驗結果至關重要，但性能增加或降低的程度取決于材料本身的性質[17-18]。

圖7 不同試驗速率的力學性能指標

2.4 試驗設備及測量工具的影響

2.4.1 試驗設備校準

拉伸試驗機是由測力儀、引伸計、計算機三部分組成。測力儀和引伸計的準確度對試驗數(shù)據(jù)有較大影響，一旦數(shù)據(jù)失真，會對測試結果造成很大影響。因此，拉伸試驗機的校準、傳感器的選取等至關重要。應按照國家標準GB/T 16825.1-2008對試驗機的測力系統(tǒng)進行校準，測力儀應放置在10℃～35℃室溫條件下，并且準確度應達到1級或優(yōu)于1級[19]。引伸計的校準應滿足GB/T 12160-2002要求[20]。

2.4.2 設定試驗力零點

為了確保夾持系統(tǒng)在重測時得到補償和保證夾持過程中產(chǎn)生的力不會影響力值的測定，在試驗方法選取及數(shù)據(jù)輸入完畢后，設置試驗力零點[21]。

2.4.3 測量工具校準

試樣的橫截面積直接影響鋁合金的規(guī)定塑性延伸強度和抗拉強度，故試樣原始寬度和厚度的測量必須準確。因此測量工具的高精確度至關重要，要經(jīng)相關部門校準合格后方可使用，且不得超過校準年限[22-23]。

2.5 試驗員操作的影響

2.5.1 夾持方法

試樣夾持方法決定試驗是否成功。試樣夾持端的形狀需適應拉伸試驗機的夾頭。如果夾具使用不當或者夾持方法不合理，易引起試樣打滑或在夾持部位斷裂，造成曲線異常，不僅使試驗結果產(chǎn)生偏差，還會對試驗機造成不良影響。因此，要確保夾持的試樣受軸向拉力作用，即拉伸試驗機夾頭或試樣軸線與力的作用線在同一軸線上，并且夾持部位應在過渡弧之上[24-25]。

2.5.2 斷后伸長率的測定

斷后伸長率是評定鋁合金力學性能不可或缺的指標之一。為了準確測出試樣斷裂后的標距，試樣的斷裂部位應仔細匹配，使其軸線處在同一直線上。對于斷裂部位與斷口表面形狀特殊的試樣，應采取特別措施確保試樣斷裂部分適當接觸，以便于測量試樣的斷后標距。

2.5.3 試驗人員

拉伸過程中，人為因素不可避免，例如試樣尺寸的測量、標距的標記、斷后伸長率的測量等，試驗人員的主觀因素及操作水平均會對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。為了降低試驗誤差，應加強對員工的培訓，提高員工專業(yè)素質，反復測量數(shù)據(jù)，求取平均值，但這種誤差是不可避免的[26]。

3 結論

（1）取樣時，必須注重試樣位置的選取，以保障檢測數(shù)據(jù)的整體合格率。為避免加工硬化、表面質量等因素對試樣力學性能檢測結果產(chǎn)生影響，應嚴格遵循國家標準標或企業(yè)要求，在機械加工過程中充分使用冷卻液，通過適當?shù)你姾湍ハ魇侄芜M行加工。

（2）試樣形狀不同，力學性能檢測結果會存在差異。應遵循企業(yè)相關檢測要求，選取合適的試樣形狀，避免不合格產(chǎn)品因檢測方法不當被誤判達標。

（3）6005A-T6鋁合金擠壓型材隨拉伸速率的提高，強度性能指標只產(chǎn)生一定幅度的波動，對試驗結果并沒有實質性的影響。為提高檢測效率，可適當提高試驗速率，但對于敏感性高的鋁材可通過自身試驗數(shù)據(jù)制定試驗方案。

（4）應嚴格遵循國家標準對試驗設備和儀器進行校準與檢定，加強試驗人員的培訓，提高專業(yè)素質；在拉伸試驗中應嚴格遵循操作步驟，有效提高測量工具的精確度，降低試驗誤差，提高數(shù)據(jù)可靠性。