大型鋁合金擠壓型材表面粗晶粒層分析

摘 要：本文針對(duì)軌道列車用6005A鋁合金大型材生產(chǎn)過(guò)程中常出現(xiàn)粗晶層的情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，得出不同厚度的粗晶層對(duì)產(chǎn)品使用的影響。最終得到適合企業(yè)生產(chǎn)的鋁合金材料的最佳條件。

關(guān)鍵詞：車輛用大型鋁合金型材；6005A合金；粗晶層

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.018

高速列車或地鐵的運(yùn)行壽命一般為20～30年，車體至少要承受上千萬(wàn)次的震動(dòng)。這就要求車體材料要具有非常好的疲勞性能以滿足各項(xiàng)疲勞強(qiáng)度要求。軌道客車使用的大型鋁合金擠壓型材在國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)表面粗晶層問(wèn)題。這直接影響著列車的使用壽命，如何解決這一問(wèn)題對(duì)車輛型材的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)比歐洲車輛制造廠家對(duì)型材表面粗晶層的要求，針對(duì)表面粗晶層的出現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度產(chǎn)生的不良影響，從擠壓工藝、模具設(shè)計(jì)等方面對(duì)影響表面粗晶層的因素進(jìn)行研究，以求提高大型鋁型材的生產(chǎn)質(zhì)量。

1 型材表面粗晶粒層形成機(jī)理

表面粗晶層產(chǎn)生的機(jī)理十分復(fù)雜，其產(chǎn)生原因與很多因素有關(guān)，到目前為止國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的共識(shí)，主要有：銅、錳等金屬含量比例影響的觀點(diǎn)；合金臨界變形度觀點(diǎn)；再結(jié)晶生成觀點(diǎn)以及高溫?cái)D壓摩擦變形的觀點(diǎn)。一般情況下人們認(rèn)為，擠壓筒內(nèi)的鋁合金鑄錠在擠壓軸壓力作用下向前移動(dòng)，鑄錠外層金屬在高壓下與擠壓筒內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，形成剪切變形，變形熱使該位置材料的溫度升高，進(jìn)而使金屬的自由能提高，當(dāng)將其熱量升到適當(dāng)溫度時(shí)重新形成晶核并長(zhǎng)大，形成再結(jié)晶。再結(jié)晶之后一般可得到細(xì)而均勻的等軸晶粒，但如果溫度利于晶粒長(zhǎng)大或加熱保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，再結(jié)晶晶粒會(huì)長(zhǎng)大成為粗大晶粒。同時(shí)，剪切變形會(huì)使表層晶格畸變，晶粒破碎嚴(yán)重。一般情況下，大型鋁型材表面粗晶層經(jīng)常出現(xiàn)在型材壁厚的外部，寬扁形狀的型材在寬度方向的兩端容易出現(xiàn)；空心型材在熔合縫附近容易出現(xiàn)；擠壓型材沿長(zhǎng)度方向上分布規(guī)律是頭端淺尾部深，嚴(yán)重情況下在整個(gè)截面上都是表面粗晶層。

歐洲的高速列車、地鐵和軌道列車起步較早，其軌道車輛用鋁合金型材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于表面粗晶層這一項(xiàng)有非常具體的要求而我國(guó)的軌道車輛用型材在這方面，到目前為止還沒(méi)有專業(yè)權(quán)威的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。

2 表面粗晶層對(duì)產(chǎn)品使用的影響

表面粗晶層深度較深的產(chǎn)品，對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及疲勞性能都有較大的影響。本文對(duì)不同厚度的表面粗晶層進(jìn)行試驗(yàn)。試樣在三塊6005A鋁合金型材上截取、固溶處理加人工時(shí)效處理（T6狀態(tài)）；試樣壁厚為2.5mm；其中在每塊型材上取兩件拉伸試樣，試樣沿?cái)D壓方向截取；取兩件疲勞試樣，試樣沿?cái)D壓方向截取。取樣方法見(jiàn)表1。

在拉伸試驗(yàn)中，選用的試驗(yàn)設(shè)備為CSS44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN10002-1：金屬材料的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。表2是上述拉伸試樣做拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

在疲勞試驗(yàn)中，選用的試驗(yàn)設(shè)備為MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13981-1：金屬材料疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試驗(yàn)規(guī)范：最大應(yīng)力：σmax=110Mpa；應(yīng)力比：R=0.1；試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)：1×107；試驗(yàn)頻率：<200HZ。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3、試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

3 結(jié)論

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

（1）雖然部分材料的表面粗晶層厚度超過(guò)要求，但其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值，只是在各項(xiàng)指標(biāo)上要小許多。

（2）當(dāng)表面粗晶層達(dá)到壁厚的3/4時(shí)，其在靜載荷下的性能合格，但其疲勞性能有合格，有不合格，試樣1中的試驗(yàn)結(jié)果相差很大，原因可能是因?yàn)椴牧媳旧淼钠渌鼉?nèi)部缺陷影響的，如：偏析、疏松、夾雜等。

（3）當(dāng)表面粗晶層充滿整個(gè)型材壁厚時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率仍然能夠達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)的要求-僅僅是略大于歐洲標(biāo)準(zhǔn)，但其疲勞性能非常不好，遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）當(dāng)表面粗晶層厚度為型材壁厚的1/10左右時(shí)，無(wú)論是靜態(tài)強(qiáng)度還是疲勞強(qiáng)度都非常好?？梢詽M足生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖亞慶，謝水生，劉靜安等.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[K].冶金工業(yè)出版社，2005.