李恩波,李 朔,馬學(xué)成,高金健,張 浩,李承豫

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金材料密度小,具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的綜合性能,被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空航天和建筑行業(yè)領(lǐng)域[1-2]。拉伸性能是鋁合金材料在研發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試以及檢驗(yàn)過(guò)程中非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目之一,強(qiáng)度性能指標(biāo)(即規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2與抗拉強(qiáng)度Rm)和塑性性能指標(biāo)(即斷后伸長(zhǎng)率A與斷面收縮率Z)均是反映鋁合金材料性能的關(guān)鍵參數(shù),是判定其性能優(yōu)劣的重要依據(jù)[3-4]。李文瀚等[5]分析了影響鋁合金室溫拉伸性能的外界因素,包括試樣切取過(guò)程、試樣形狀、試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量工具和試驗(yàn)員操作等。劉軍等[6]在不同的拉伸速率下對(duì)6061鋁合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明隨著拉伸速率增加,6061鋁合金的屈服強(qiáng)度增大,斷后伸長(zhǎng)率降低。孫曉紅等[7]通過(guò)不同溫度下6082-T6鋁合金板材的拉伸試驗(yàn),對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行分析,結(jié)果表明合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量均隨溫度的升高而降低,而斷后伸長(zhǎng)率隨溫度的升高而增加。由于拉伸試樣是測(cè)量鋁合金材料拉伸性能的載體,合理切取鋁合金料坯并制備拉伸試樣也是影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素。在拉伸試樣加工過(guò)程中,取樣位置、取樣方向、試樣尺寸等都會(huì)直接影響鋁合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果。因此,本文分析了不同取樣位置、取樣方向、試樣直徑和過(guò)渡弧半徑對(duì)6061鋁合金厚板拉伸性能的影響,以期將拉伸試驗(yàn)結(jié)果的誤差降到最低。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為擠壓生產(chǎn)的6061鋁合金厚板型材,其截面寬度為203.2 mm,厚度為76.2 mm,化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試樣制備方案

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865—2013《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》中規(guī)定,當(dāng)矩形厚板的厚度a大于40 mm、寬度b大于40 mm時(shí),試樣選取部位應(yīng)在擠壓橫截面上,靠邊緣1/4寬度與靠邊緣的1/4厚度的交點(diǎn)處切取,如圖1(a)所示。關(guān)于圓形試樣的尺寸,標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865—2013中給出了直徑d0的取值范圍為2.5～20 mm,過(guò)渡弧半徑r≧0.75d0,圓形試樣示意圖如圖2所示。根據(jù)切取樣坯的位置和試樣不同尺寸,設(shè)計(jì)了兩種試樣制備方案。

(a)標(biāo)準(zhǔn)中切取位置;(b)縱向1/4厚度、1/2厚度處;(c)橫向1/4厚度處

圖2 圓形試樣示意圖

方案一:同一批次的型材上沿?cái)D壓方向(即縱向),在1/4厚度處和1/2厚度處切取兩組樣坯,如圖1(b)所示;在垂直擠壓方向上(即橫向),1/4厚度處切取一組樣坯,如圖1(c)所示。每組各8個(gè)樣坯,加工成圓形試樣,直徑d0為10 mm,過(guò)渡弧半徑r為8 mm,圓形試樣原始標(biāo)距L0均為5d0,即50 mm。

方案二:在型材1/4寬度和1/4厚度處切取樣坯,分為兩組,一組加工成不同直徑的圓形試樣,直徑d0分別為3、5、8、10、12和15 mm,過(guò)渡弧半徑r為0.8d0;另一組樣坯加工成不同過(guò)渡弧半徑的試樣,直徑d0均為10 mm,過(guò)渡弧半徑r分別為2、4、6、8、10和12 mm。每種尺寸的圓形試樣均加工5個(gè),且所有試樣原始標(biāo)距L0均為5d0。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用日本島津的AG-X 100 KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法。方案一的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,方案二中拉伸試驗(yàn)結(jié)果為5個(gè)試樣的平均值,見(jiàn)表3。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果(方案一)

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果(方案二)

2 試驗(yàn)分析

2.1 取樣位置對(duì)拉伸性能的影響

在縱向1/4厚度和縱向1/2厚度處取樣,不同試樣的拉伸性能如圖3所示。可以看出,縱向1/2厚度處取樣加工的圓形試樣的拉伸性能均低于縱向1/4厚度處,其中規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度平均值降低了約5.46 %,抗拉強(qiáng)度平均值降低了約5.26 %,斷后伸長(zhǎng)率平均值降低了約13.08 %,可見(jiàn)斷后伸長(zhǎng)率對(duì)取樣位置的敏感性較強(qiáng)。因此,取樣位置對(duì)6061鋁合金厚板拉伸性能有著不可忽略的影響。

(a)Rp0.2;(b)Rm;(c)A

由于在擠壓過(guò)程中,因模具口的形狀導(dǎo)致合金變形不均勻,由外層至中心的變形程度逐漸減小,外層晶粒在摩擦阻力的作用下,破壞程度大,導(dǎo)致合金截面上的組織分布不均勻。隨后的淬火過(guò)程中,表面的降溫速度大于中心處,表面溫度的降低阻止了晶粒的長(zhǎng)大,而合金中心的溫度大于表面,晶粒長(zhǎng)大的速度大于表面,從而使合金表面晶粒細(xì)小,中心晶粒粗大[8-9],導(dǎo)致縱向1/4厚度處試樣的拉伸性能均高于縱向1/2厚度處。6061鋁合金厚板不同位置的晶粒度如圖4所示,縱向1/2厚度處試樣的晶粒度為7.5級(jí),縱向1/4厚度處試樣的晶粒度為8級(jí),該結(jié)果與理論結(jié)果基本一致。

(a)縱向1/2厚度處;(b)縱向1/4厚度處

2.2 取樣方向?qū)煨阅艿挠绊?/h3>

在縱向1/4厚度和橫向1/4厚度處取樣,不同試樣的拉伸性能如圖5所示?？梢钥闯?合金的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度具有相同的波動(dòng)趨勢(shì),橫向的平均強(qiáng)度均比縱向的強(qiáng)度小約5 MPa;而橫向和縱向的斷后伸長(zhǎng)率差異較大,且橫向斷后伸長(zhǎng)率明顯偏小,且波動(dòng)較大。

(a)Rp0.2;(b)Rm;(c)A

由于鋁合金材料在擠壓過(guò)程中,隨著外形的改變,合金內(nèi)部晶粒將沿著擠壓延展方向被拉長(zhǎng)、拉細(xì),使擠壓后的合金出現(xiàn)纖維組織。同時(shí)在合金變形過(guò)程中,受外力的作用,內(nèi)部各個(gè)晶粒的滑移面和滑移方向都要向主變形方向轉(zhuǎn)動(dòng)[10],隨后的回復(fù)再結(jié)晶所形成的新晶粒仍具有方向性,造成合金拉伸性能的各向異性。由于這種各向異性的特征,使得縱向拉伸試樣斷面上原子之間排列的緊密程度更好,故合金的縱向拉伸性能要高于橫向。另外根據(jù)斷裂理論,由于夾雜物的存在會(huì)使晶粒間的結(jié)合力減弱,破壞合金基體的連續(xù)性,裂紋易在夾雜物和基體組織的相界面處形成,從裂紋擴(kuò)展角度看,晶粒細(xì)小致密,裂紋不易擴(kuò)展,這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展時(shí)要多次改變方向,將消耗更多能量[11]。因此橫向拉伸時(shí),試樣有較長(zhǎng)的析出相,且晶粒排列不夠緊密,故合金的橫向斷后伸長(zhǎng)率較差。

2.3 試樣直徑對(duì)拉伸性能的影響

拉伸試樣平行段直徑對(duì)拉伸性能的影響如圖6所示?？梢钥闯?試樣直徑為3 mm時(shí),合金的強(qiáng)度較高,規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度平均值達(dá)到了309 MPa,抗拉強(qiáng)度平均值為330 MPa,斷后伸長(zhǎng)率的平均值為10.9 %;隨著試樣直徑的增大,強(qiáng)度逐漸降低,在直徑達(dá)到8 mm后強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定。但隨著試樣直徑的增大,斷后伸長(zhǎng)率呈先增加后降低的趨勢(shì),在直徑為8～10 mm時(shí)斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到峰值。

圖6 不同直徑試樣的拉伸性能

對(duì)于合金強(qiáng)度來(lái)說(shuō),試樣的直徑會(huì)影響過(guò)渡圓弧部分兩側(cè)應(yīng)力集中影響區(qū)域的疊加程度,隨著拉伸試樣的直徑增大,在拉伸過(guò)程中由單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向平面應(yīng)力狀態(tài),使得參加流變的材料逐漸增多,抗拉強(qiáng)度下降[12]。

對(duì)于斷后伸長(zhǎng)率來(lái)說(shuō),拉伸試樣在受軸向拉力的過(guò)程中,平行段的變化過(guò)程為:彈性變形→均勻塑性變形→集中塑性變形(縮頸)→斷裂,斷后伸長(zhǎng)率受平行段的均勻塑性變形量和縮頸變形量的影響。隨著拉伸試樣的直徑增大,試樣原始標(biāo)距L0=5d0也增大,計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率的公式為:(斷后標(biāo)距-原始標(biāo)距)/原始標(biāo)距×100%,但試樣斷裂前的主要變形量集中在縮頸處,故拉伸試樣平行段的直徑增大,導(dǎo)致合金斷后伸長(zhǎng)率減小。

2.4 過(guò)渡弧半徑對(duì)拉伸性能的影響

不同過(guò)渡弧半徑對(duì)試樣拉伸性能的影響如圖7所示?？梢钥闯?隨著過(guò)渡弧半徑的增大,合金的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度平均值的波動(dòng)較小,最大值與最小值差值僅為4 MPa,過(guò)渡弧半徑對(duì)規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度的影響較小;但合金的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率均逐漸增大,當(dāng)過(guò)渡弧半徑大于8 mm時(shí),抗拉強(qiáng)度變化平緩,趨于穩(wěn)定。

圖7 不同過(guò)渡弧半徑下試樣的拉伸性能

在過(guò)渡弧半徑小于8 mm時(shí),斷后伸長(zhǎng)率偏低,這是因?yàn)槔煸嚇訑嗔训奈恢枚喟l(fā)生在試樣的端頭,斷裂處與最接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離小于原始標(biāo)距的1/3,影響斷后伸長(zhǎng)率的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。過(guò)渡弧是拉伸試樣夾持部分和平行部分之間的過(guò)渡區(qū)域,過(guò)渡弧半徑太小時(shí),容易在過(guò)渡弧和平行段相接處造成應(yīng)力集中,使試樣在端頭附近斷裂,影響合金強(qiáng)度降低,如圖8(a)所示;過(guò)渡弧半徑增大,夾持部分與平行部分過(guò)渡逐漸緩和,避免了拉伸過(guò)程中的應(yīng)力集中,平行段得到充分延伸,有利于試樣斷裂在中間位置[13]。由試驗(yàn)可知,拉伸試樣應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865—2013中規(guī)定過(guò)渡弧半徑r≥0.75d0的要求。

(a)4 mm;(b)8mm

3 結(jié)論

1)在6061鋁合金厚板型材縱向1/4厚度處切取試樣的拉伸性能高于縱向1/2厚度處,與塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比,斷后伸長(zhǎng)率對(duì)取樣位置的敏感度較大。

2)6061鋁合金厚板型材的橫向拉伸性能比縱向拉伸性能低,尤其是橫向拉伸與縱向拉伸的斷后伸長(zhǎng)率差異很大。

3)拉伸試樣平行段直徑過(guò)小時(shí),合金強(qiáng)度較高,斷后伸長(zhǎng)率較低;而直徑過(guò)大時(shí),由于原始標(biāo)距的增大,導(dǎo)致計(jì)算得出的斷后伸長(zhǎng)率偏小。

4)過(guò)渡弧半徑尺寸過(guò)小,試樣容易在端部附近斷裂,斷裂位置小于原始標(biāo)距的1/3,對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響較大。

5)試樣制備過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)中的取樣位置切取樣坯,拉伸試樣平行段直徑為8～12 mm、過(guò)渡弧半徑r≥0.75d0時(shí),6061鋁合金厚板的拉伸性能具有較高的準(zhǔn)確性。