楊 麗，曲鳳嬌，靜 宇，王麗萍，吳海旭，韓 超

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金因密度小、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、易成型等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑業(yè)等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著汽車(chē)輕量化的迅猛發(fā)展，鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。由于節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高及“雙碳”目標(biāo)的提出，汽車(chē)輕量化也隨之成為汽車(chē)行業(yè)研究的重要熱點(diǎn)。汽車(chē)輕量化主要措施有三種方式：應(yīng)用新材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用新工藝[2]，這三種方式各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)[3]，但目前汽車(chē)輕量化使用最廣泛的措施主要是應(yīng)用輕質(zhì)新材料。

鋁作為最常見(jiàn)的輕金屬材料之一[4]，是汽車(chē)輕量化的首選材料。目前，世界各大汽車(chē)公司都在積極推進(jìn)車(chē)身、車(chē)體主要部件的鋁材化，比較常見(jiàn)的車(chē)身鋁合金材料一般為經(jīng)熱處理的6000系、5000系鋁合金和7000系鋁合金[5]。7000系鋁合金是典型的沉淀強(qiáng)化合金，具有密度小、強(qiáng)度高和優(yōu)良熱塑性等特點(diǎn)[6]，其中，7003鋁合金具有中等強(qiáng)度、良好的擠壓性、成形性及可焊性[7]，逐漸被開(kāi)發(fā)用于汽車(chē)材料[8]。本文以汽車(chē)用7003鋁合金為研究對(duì)象，分析其室溫至250 ℃范圍內(nèi)的力學(xué)性能，為7003鋁合金的高溫應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為7003鋁合金擠壓型材，熱處理狀態(tài)為T(mén)6，試樣厚度 3mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010設(shè)計(jì)并加工室溫和高溫拉伸試樣，試樣取樣方向?yàn)閿D壓方向。試樣化學(xué)成分見(jiàn)表1，試樣尺寸如圖1所示。

表1 試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 試樣尺寸Fig.1 The size of samples

采用日本島津電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配備高低溫環(huán)境箱進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)傳感量程100 kN，精度等級(jí)0.5級(jí)，試驗(yàn)時(shí)安裝Epsilon高溫引伸計(jì)進(jìn)行試樣應(yīng)變測(cè)量直至試樣斷裂，引伸計(jì)量程25 mm，精度級(jí)別為0.5級(jí)。采用應(yīng)變速率控制，在規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度范圍內(nèi)應(yīng)變速率為0.00025/s，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度后應(yīng)變速率為0.008/s直至試樣斷裂。每種溫度下進(jìn)行3次拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采用日本島津SSX-550掃描電子顯微鏡觀察試樣拉伸斷口形貌。

2 結(jié)果和分析

2.1 性能分析

圖2為7003-T6鋁合金在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，表2為7003-T6鋁合金材料在室溫(23 ℃)、50、100、150、200、250 ℃溫度下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力塑性延伸率和應(yīng)變硬化指數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，7003-T6鋁合金材料無(wú)明顯的屈服平臺(tái)，在室溫、50、100、150、200、250 ℃溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化基本一致。在變形初始階段即彈性階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力的增大速度較快；隨著拉伸過(guò)程的持續(xù)，進(jìn)入塑性變形階段后應(yīng)力增大緩慢；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，應(yīng)力開(kāi)始迅速下降，這是因?yàn)殡S著應(yīng)變量的增大，材料的變形逐漸由加工硬化轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)軟化，最終導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線呈下降趨勢(shì)。此外，從圖2中還可以看出，在室溫到50 ℃溫度范圍內(nèi)應(yīng)力相差不大，力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定；而在100～250 ℃溫度范圍內(nèi)，應(yīng)力出現(xiàn)明顯差距，材料性能受溫度影響比較明顯。在相同應(yīng)變條件下，試驗(yàn)溫度越高，材料的應(yīng)力就越低，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度也隨之減小，同時(shí)達(dá)到抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變值也在減小，且在200～250 ℃時(shí)尤為明顯。

圖2 7003-T6鋁合金在不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3為7003-T6鋁合金在不同溫度下規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和最大力塑性延伸率的變化曲線。由圖3可知，在室溫到250 ℃范圍內(nèi)，隨拉伸溫度的升高，材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和最大力塑性延伸率逐漸下降，其中，在100～250 ℃溫度范圍內(nèi)下降最為明顯；而斷后伸長(zhǎng)率則逐漸升高，尤其在150 ℃以上，軟化特征明顯，斷后伸長(zhǎng)率明顯提升。由表2可知，當(dāng)溫度由室溫上升至250 ℃時(shí)，材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度下降了213 MPa，抗拉強(qiáng)度下降了239 MPa，最大力塑性延伸率下降了5.54%，而斷后延伸率卻升高了13.41%。

圖3 7003-T6鋁合金在不同溫度下的性能變化Fig.3 Performance changes of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures

圖4為7003-T6鋁合金在不同溫度下的應(yīng)變硬化指數(shù)變化曲線。由圖4可知，在室溫到250 ℃范圍內(nèi)，隨溫度的升高，應(yīng)變硬化指數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)闇囟鹊纳?，外界提供的激活能增?qiáng)，導(dǎo)致原子間結(jié)合力降低，原子間擴(kuò)散能力變強(qiáng)，從而產(chǎn)生的位錯(cuò)消失，減輕或削弱了材料的加工硬化；同時(shí)在熱變形過(guò)程中，發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，加強(qiáng)了合金的軟化程度，降低了合金的變形抗力。

圖4 7003-T6鋁合金在不同溫度下應(yīng)變硬化指數(shù)Fig.4 Strain hardening index of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures

2.2 斷口分析

圖5為7003-T6合金在不同溫度下的拉伸斷口形貌。由圖5可知，不同拉伸溫度下，試樣斷口形貌存在較大差異。室溫下，拉伸斷口韌窩尺寸小且密集，深度較淺，韌窩內(nèi)部均勻分布細(xì)小的第二相，沒(méi)有觀察到滑移條帶。隨拉伸溫度的升高，韌窩尺寸不斷增大，深度逐漸增加。從圖5中還可以看出，室溫到100 ℃范圍內(nèi)韌窩深度變化不明顯，均可觀察到韌窩內(nèi)部組織形貌；150 ℃時(shí)韌窩尺寸最大，且韌窩深度增加最明顯見(jiàn)圖5(d)；200 ℃、250 ℃時(shí)韌窩尺寸不再增大，但韌窩深度逐漸增加。另外，200 ℃時(shí)可見(jiàn)少量稀疏的滑移條帶見(jiàn)圖5(e)，250 ℃時(shí)有大量密集排列的滑移條帶見(jiàn)圖5(f)。

(a)室溫;(b)50 ℃;(c) 100 ℃;(d) 150 ℃;(e) 200 ℃;(f) 250 ℃圖5 7003-T6鋁合金在不同溫度下的拉伸斷口形貌(a) room temperature; (b) 50 ℃; (c) 100 ℃; (d) 150 ℃; (e) 200 ℃; (f) 250 ℃Fig.5 The tensile fracture morphology of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures

拉伸變形過(guò)程中，在剪應(yīng)力的作用下，晶格沿一定的晶面和晶向產(chǎn)生移動(dòng)形成滑移。當(dāng)拉伸溫度較低時(shí)，斷口中細(xì)小密集的韌窩會(huì)阻礙滑移運(yùn)動(dòng)，材料獲得較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。多條平行的滑移線形成滑移帶，滑移帶是晶體發(fā)生塑性變形的重要特征，材料塑性變形越嚴(yán)重的區(qū)域，滑移帶越密，擴(kuò)展也越長(zhǎng)。試樣在高溫拉伸過(guò)程中，由于位錯(cuò)和滑移的運(yùn)動(dòng)更活躍，強(qiáng)化相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙會(huì)減弱，產(chǎn)生密集排列的滑移條帶會(huì)使斷后延伸率升高?？v向深度越深說(shuō)明材料的塑性變形越大，獲得斷后延伸率就越高。

3 結(jié)論

1)7003-T6鋁合金材料無(wú)明顯的屈服平臺(tái)，室溫至250 ℃溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化基本一致。室溫至50 ℃溫度范圍內(nèi)應(yīng)力相差并不大，而100～250 ℃溫度范圍內(nèi)應(yīng)力變化較為明顯；

2)在室溫至250 ℃范圍內(nèi)，隨拉伸溫度的升高，材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、最大力塑性延伸率會(huì)逐漸下降，其中100～250 ℃范圍內(nèi)下降尤為明顯；但斷后伸長(zhǎng)率卻逐漸增加，尤其在150 ℃溫度以上增加更為明顯；

3)在室溫至250 ℃范圍內(nèi)，隨拉伸溫度的升高，材料的應(yīng)變硬化指數(shù)會(huì)逐漸降低；

4)隨拉伸溫度的升高，韌窩尺寸增大，深度減小，條帶增多，強(qiáng)化相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙會(huì)減弱，材料強(qiáng)度會(huì)不斷降低，而延伸率則不斷升高。