高速列車(chē)用A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭高寒條件下的性能

陳輝剛

（濟(jì)南鐵路局青島機(jī)車(chē)車(chē)輛監(jiān)造項(xiàng)目部，山東青島266111）

高速列車(chē)用A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭高寒條件下的性能

陳輝剛

（濟(jì)南鐵路局青島機(jī)車(chē)車(chē)輛監(jiān)造項(xiàng)目部，山東青島266111）

以高速列車(chē)車(chē)體用A6N01S-T5鋁合金為研究對(duì)象，研究A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭在低溫條件下（-50℃～0℃）的力學(xué)及疲勞性能，為高寒條件下車(chē)輛運(yùn)行及設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的降低，鋁合金材料的拉伸和疲勞性能均有所上升，在-50℃～0℃，母材的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率為0.14 MPa/℃，焊接接頭為0.52 MPa/℃，母材的疲勞強(qiáng)度均提高約8.7％；焊接接頭在-40℃～0℃僅提高了1％，而在-50℃時(shí)提高了7.8％。

A6N01S-T5鋁合金；焊接接頭；高寒環(huán)境；力學(xué)性能

0 前言

A6N01S-T5鋁合金為6XXX系列高強(qiáng)鋁合金，因其具有優(yōu)異的強(qiáng)度，成型性和可焊性好，而被廣泛應(yīng)用于高速列車(chē)車(chē)體生產(chǎn)中。中國(guó)高速列車(chē)從高寒到熱帶，從沿海到戈壁，擁有最復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，經(jīng)受著復(fù)雜的環(huán)境考驗(yàn)。尤其是高寒地區(qū)冬季溫度可達(dá)-40℃，車(chē)輛運(yùn)行自然條件極其惡劣。而當(dāng)前車(chē)體用鋁合金材料高寒性能的數(shù)據(jù)資料卻鮮見(jiàn)報(bào)道，因此高寒列車(chē)的材料選取設(shè)計(jì)仍以常溫下材料的性能參數(shù)為依據(jù)，使得高速列車(chē)在高寒環(huán)境下的運(yùn)行存在極大的安全隱患[1]。為解決以上問(wèn)題，在此研究國(guó)產(chǎn)A6N01S-T5鋁合金在低溫（-50℃～0℃）下的力學(xué)及疲勞性能，分析低溫下力學(xué)性能與溫度的關(guān)系及低溫強(qiáng)化機(jī)理，為高速列車(chē)在高寒條件下的運(yùn)行提供理論支撐，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用材料為國(guó)產(chǎn)A6N01S-T5鋁合金型材，化學(xué)成分如表1所示，供貨狀態(tài)T5（熱加工+自然失效），厚度3.5 mm。材料組織為基體α-Al和Mg2Si強(qiáng)化相組成，焊縫金屬為鑄態(tài)組織，呈等軸晶狀[2-3]。

A6N01S-T5鋁合金母材及焊縫微觀組織如圖1所示。采用直徑1.2 mm的ER5356焊絲進(jìn)行焊接，化學(xué)成分如表1所示。

圖1 A6N01S-T5鋁合金母材及焊縫微觀組織

表1 A6N01S-T5鋁合金及ER5356焊絲化學(xué)成分％

根據(jù)GB/T13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法，在不同溫度條件下，對(duì)母材和接頭的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)在WDW3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣在液氮中降溫至一定溫度后，保溫10 min進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)JIS Z 2273-1978（金屬材料疲勞試驗(yàn)方法通則）標(biāo)準(zhǔn)的要求，使用電-液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)在不同溫度下（-50℃～0℃）測(cè)試試件疲勞性能，載荷種類(lèi)為軸向拉伸，試驗(yàn)應(yīng)力比R= 0，試驗(yàn)頻率80～120 Hz。疲勞試驗(yàn)在恒溫高頻振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)箱體（型號(hào)：JA-1260-D）中進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)分別測(cè)試鋁合金母材和平滑的焊接接頭在不同應(yīng)力級(jí)下的疲勞壽命。采用掃描電子顯微鏡SEM（JSM-6490LV）觀察疲勞試樣斷口微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 低溫拉伸性能

A6N01S-T5鋁合金在不同溫度條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。A6N01S-T5鋁合金在0℃、-10℃、-30℃、-45℃條件下，其平均拉強(qiáng)度分別為279.3MPa、281.0 MPa、283.8 MPa、285.6 MPa，屈服強(qiáng)度分別為243.1 MPa、248.0 MPa、247.2 MPa、249.3 MPa，平均延伸率分別為8.4％、8.9％、9.3％、9％。

圖2a為A6N01S-T5鋁合金平均拉伸性能隨溫度的變化規(guī)律。由圖2a可知，隨著溫度的降低，其抗拉強(qiáng)度略有上升，可獲得擬合良好的線性關(guān)系：σb= 279.5-0.14T，即溫度每降低1℃，材料抗拉強(qiáng)度增加0.14 MPa；其屈服強(qiáng)度、延伸率在-45℃～0℃變化不明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，A6N01S-T5鋁合金在-45℃～0℃下抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低緩慢提升。

表2 A6N01S-T5鋁合金在不同溫度條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果。圖2b為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度下平均抗拉強(qiáng)度及擬合曲線，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度在0℃、-10℃、-30℃、-45℃時(shí)，依次為188.7 MPa、200.1 MPa、202.5 MPa、214.2 MPa，曲線擬合公式為：σb=189.9-0.52T，即溫度每降低1℃材料抗拉強(qiáng)度增加0.52MPa；屈服強(qiáng)度分別為161.68MPa、173.17MPa、169.28MPa、179.88MPa，平均延伸率分別為6.7％、7.9％、7.3％、9.3％，所有試樣均斷裂在熱影響區(qū)。該結(jié)果表明，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而增加。

圖2 A6N01S-T5鋁合金母材及焊接接頭平均拉伸性能隨溫度的變化規(guī)律

表3 A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度條件下拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫疲勞性能

不同溫度下A6N01S-T5鋁合金母材疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線如圖3所示，A6N01S-T5鋁合金在低溫0℃、-25℃、-40℃、-50℃條件下，其疲勞極限分別為122.77 MPa、131.69MPa、128.75MPa、131.27 MPa。結(jié)果表明，A6N01S-T5鋁合金材料在高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限高于0℃，但在該溫度區(qū)間內(nèi)，疲勞極限變化不明顯。

在-25℃、190 MPa條件下，A6N01S-T5鋁合金疲勞斷口SEM形貌如圖4所示。一般而言，疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和疲勞瞬斷區(qū)三個(gè)區(qū)域[4]。但是本次試驗(yàn)所用A6N01S-T5試樣的疲勞斷口，發(fā)現(xiàn)其斷裂源區(qū)特征不明顯，未見(jiàn)明顯光滑區(qū)域或有放射線匯聚或同心弧形條帶。也未見(jiàn)擴(kuò)展區(qū)及擴(kuò)展特征輝紋或條帶。整個(gè)斷口平整，以沿晶斷裂為主，呈冰糖狀斷口特征，局部區(qū)域發(fā)生穿晶斷裂，呈韌窩狀。

不同溫度下A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5所示。A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂主要發(fā)生在焊縫區(qū)域，焊縫區(qū)為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能的薄弱區(qū)域。在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭的疲勞極限分別為89.9 MPa、90.02 MPa、89.75 MPa、96.67 MPa，環(huán)境溫度在-40℃～0℃時(shí)，溫度對(duì)焊接接頭疲勞性能幾乎沒(méi)有影響，但在-50℃的溫度條件下，疲勞極限明顯上升。

選取-25℃、120 MPa試驗(yàn)條件下A6N01S-T5鋁合金焊接平滑接頭疲勞斷口進(jìn)行SEM觀察，如圖6所示。由圖6可知，疲勞斷口由疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分組成。裂紋在試樣靠近近表面的地方形成，其后隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋張口變大，裂紋逐漸稀疏，擴(kuò)展速率加快，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至材料的臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，材料瞬間斷裂，形成不平坦的粗糙表面，在靠近表面的區(qū)域呈斜斷口。裂紋源區(qū)可見(jiàn)放射狀條紋，整個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋，瞬斷區(qū)由韌窩組織組成，為典型疲勞斷口特征[5]。

鋁合金屬于面心立方結(jié)構(gòu)（FCC），其位錯(cuò)滑移系較多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力隨溫度變化不敏感，故一般

不顯示低溫脆性。通過(guò)低溫拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A6N01ST5鋁合金在低溫0℃、-10℃、-30℃、-45℃條件下,其平均拉強(qiáng)度分別為279.3MPa、281.0MPa、283.8MPa、285.6 MPa，材料抗拉強(qiáng)度增加率為0.14 MPa/℃；屈服強(qiáng)度分別為243.1 MPa、248.0 MPa、247.2 MPa、249.3 MPa，幾乎不發(fā)生變化。這反映出A6N01S-T5鋁合金對(duì)高寒溫度并不太敏感。這是因?yàn)闇囟葘?duì)合金強(qiáng)度的影響是通過(guò)位錯(cuò)與溶質(zhì)原子或雜質(zhì)交互作用引起的。金屬流變應(yīng)力τ=τP+τS+τI+τJ+τD，是由τP點(diǎn)陣阻力、τS位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)引起的阻力，τI位錯(cuò)交截所產(chǎn)生的阻力，τJ形成割階時(shí)引起的阻力和τD點(diǎn)缺陷形成時(shí)的阻力共同決定。其中，τJ和τD為短程阻力，當(dāng)溫度下降時(shí)晶格熱振動(dòng)動(dòng)能變小，位錯(cuò)移動(dòng)跨越勢(shì)壘所需的外力增大，即短程阻力隨溫度下降而增大[6-7]。一般而言，金屬流變阻力隨溫度降低而增加，但鋁合金屬面心立方結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)寬度比較大，對(duì)溫度不敏感且溫度下降范圍區(qū)間較小（-50℃～0℃），不足以引起短程阻力大幅度提升，因此，A6N01ST5鋁合金在-50℃～0℃的低溫條件下材料拉伸性能隨溫度緩慢提升。

圖3 不同溫度條件下A6N01S鋁合金材料疲勞數(shù)據(jù)擬合曲線

圖4 -25℃，190 MPa條件下A6N01S-T5鋁合金疲勞斷口形貌

圖5 不同溫度條件下A6N01S鋁合金焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)擬合曲線

圖6 -25℃、120 MPa條件下A6N01S鋁合金疲勞斷口形貌

通過(guò)低溫疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金疲勞極限為122.77 MPa、131.69 MPa、128.75 MPa、131.27 MPa，高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限高于0℃，但在該溫度區(qū)間內(nèi)，其疲勞極限變化不明顯。這是因?yàn)榈蜏仄谛阅芘c低溫下疲勞裂紋的擴(kuò)展速率相關(guān)。用空位吸收模型來(lái)解釋在低溫下鋁合金疲勞裂紋生長(zhǎng)速度和溫度的關(guān)系，裂紋前端附近的應(yīng)力梯度使得空位沿著位錯(cuò)線擴(kuò)散并被裂紋吸收，從而使得裂紋得以生長(zhǎng)，空位的移動(dòng)支配著裂紋的生長(zhǎng)，低溫下疲勞裂紋擴(kuò)展速率較室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率低，因而低溫下的疲勞強(qiáng)度高于室溫疲勞強(qiáng)度。A6N01S-T5高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限變化不明顯，這表明裂紋前端附近的應(yīng)力變化在此范圍對(duì)溫度不敏感。

3 結(jié)論

以3.5 mm厚A6N01S-T5鋁合金母材及焊接接

頭為研究對(duì)象，開(kāi)展了低溫條件下拉伸性能和疲勞性能測(cè)試，分析環(huán)境溫度對(duì)母材及接頭拉伸、疲勞性能的影響規(guī)律，得出主要如下結(jié)論：

（1）A6N01S-T5母材拉伸性能在-45℃～0℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低緩慢升高，基本符合σb=279.5-0.14T的線性關(guān)系，即溫度每降低1℃，材料抗拉強(qiáng)度增加0.14 MPa。母材屈服強(qiáng)度沒(méi)有明顯規(guī)律性變化，延伸率隨著溫度降低而上升。

（2）A6N01S-T5焊接接頭拉伸性能在-45℃～ 0℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低緩慢升高，基本符合σb= 189.9-0.52T的線性關(guān)系，即溫度每降低1℃，材料抗拉強(qiáng)度增加0.52 MPa。焊接接頭的屈服強(qiáng)度沒(méi)有明顯的規(guī)律性變化，延伸率隨溫度降低呈上升趨勢(shì)。

（3）A6N01S-T5鋁合金在0℃、-25℃、-40℃、-50℃條件下，其疲勞極限為122.77MPa、131.69MPa、128.75 MPa、131.27 MPa，達(dá)到118.3 MPa的設(shè)計(jì)要求，母材疲勞極限隨溫度降低而上升。

（4）在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞極限分別為89.9 MPa、90.02 MPa、89.75 MPa、96.67 MPa，達(dá)到了89 MPa的設(shè)計(jì)要求，由于焊接缺陷等原因，溫度對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響不是很明顯。

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Performance of the A6N01S-T5 aluminum alloy and the welding joint for high speed train at low temperature

CHEN Huigang
（Ji′nan Railway Administration，Qingdao 266111，China）

TakingA6N01S-T5 aluminumalloyused in high speed train as the research object，the research is focus on the tensile strength and fatigue strength of A6N01S-T5 aluminum alloyand the weldingjoint at lowtemperature（-50℃～0℃），provide basic information for vehicle operating at alpine conditions.The result showed that，with the decrease of temperature，the tensile strength and fatigue strength of A6N01S-T5 aluminumalloyand the weldingjoint both improved.Within-50℃～0℃，the growth rate oftensile strength ofbase metal was 0.14 MPa/℃while the welding joint was 0.52 MPa/℃.The fatigue strength of base metal improved about 8.7％，the fatigue strength of weldingjoint improved 1％at-40℃～0℃，while improved 7.8％at-50℃.

A6N01S-T5 aluminum alloy；welding joint；alpine conditions；mechanical property

TG406

A

1001－2303（2016）09－0077-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.18

2016-03-28

陳輝剛（1963—），男，山東膠南人，工程師，主要從事高速列車(chē)鋁合金車(chē)體監(jiān)造等相關(guān)工作。