6×××系鋁合金力學(xué)性能與硬度關(guān)系的分析

肖棟，杜永霞，楊云東，葉朋飛，王從昆

（南山鋁材公司，山東龍口265706）

6×××系鋁合金力學(xué)性能與硬度關(guān)系的分析

肖棟，杜永霞，楊云東，葉朋飛，王從昆

（南山鋁材公司，山東龍口265706）

針對影響鋁合金產(chǎn)品力學(xué)性能和硬度的因素以及抗拉強(qiáng)度與硬度之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，對產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

鋁合金；力學(xué)性能；硬度

0 前言

6×××系鋁合金是以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強(qiáng)化相的鋁合金，具有良好的強(qiáng)度、可成形性和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空等領(lǐng)域[1]。對于不同鋁合金產(chǎn)品具有不同的性能要求，一般要求鋁合金產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度、硬度（布氏硬度）同時(shí)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

1 影響鋁合金力學(xué)性能與硬度的因素

1.1 鋁合金鑄錠的化學(xué)成分

6×××系鋁合金是以Mg2Si為強(qiáng)化相的合金，因此首先應(yīng)確定強(qiáng)化相的含量再確定Mg的含量。Mg是易燃金屬，熔煉操作時(shí)會(huì)有燒損，在確定Mg的控制范圍時(shí)要考慮燒損所帶來的誤差，但不能放寬，以免合金性能失控。

1.2 鋁合金鑄錠均勻化

均勻化處理可改善鑄坯的塑性，提高其工藝性能，改善制品組織異向性能，消除金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

1.3 鋁型材擠壓溫度與速度

具體擠壓溫度和速度應(yīng)根據(jù)型材壁厚、擠壓特性和模具狀況等因素來適當(dāng)調(diào)整，堅(jiān)持高溫低速、低溫高速的擠壓原則。但出口溫度不得低于產(chǎn)品淬火溫度。

1.4 鋁型材淬火效果

淬火的目的是將合金快速冷卻至室溫，得到過飽和狀態(tài)的固溶體。一般來說，采用較快的淬火冷卻速度可以得到最高的強(qiáng)度以及強(qiáng)度和韌性的最佳組合，提高制品的腐蝕及應(yīng)力腐蝕抗力[2]。而淬火敏感性與合金中主要強(qiáng)化相的含量成正比，合金中過剩Si、Cr、Mn的含量增加，其淬火冷卻速度也要相應(yīng)提高[3、4]。因此，均勻良好的淬火效果可有效地提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。

1.5 鋁型材的人工時(shí)效

2 抗拉強(qiáng)度與硬度之間的關(guān)系

2.1 鋁合金抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系的提出

在實(shí)際工作中，為了同時(shí)滿足材料的抗拉強(qiáng)度與硬度要求，可以通過其抗拉強(qiáng)度與硬度的關(guān)系來控制其中一項(xiàng)指標(biāo)而達(dá)到另一項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，而材料的硬度測量方法比較簡單，操作方便，可以用測量硬度來換算材料的抗拉強(qiáng)度。有不少文獻(xiàn)針對兩者關(guān)系進(jìn)行了探討，但大多數(shù)適用于鋼鐵及鐵基合金，而針對鋁合金的文獻(xiàn)則比較少，文獻(xiàn)[5]給出了一個(gè)近似的表達(dá)式：

布氏硬度與維氏硬度很接近，根據(jù)布氏硬度（HB）與維氏硬度（HV）的經(jīng)驗(yàn)換算關(guān)系，將換算結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)換算值對照，換算誤差大約在6HV以下，該換算公式為：

注：此經(jīng)驗(yàn)公式中布氏硬度與維氏硬度的單位要一致，單位為N/mm2。

通過以上公式找到抗拉強(qiáng)度與布氏硬度的關(guān)系式，如下式所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

硬度是衡量材料軟硬程度的性能指標(biāo)，是表征材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列不同性能組合的一種綜合性能指標(biāo)。布氏硬度是根據(jù)壓痕單位表面積上的載荷大小來計(jì)算硬度值，它不適合測定硬度較高的材料，布氏硬度（HB）=載荷力（F）/壓痕球形表面積（）。鋁合金硬度一般是用布氏硬度表示。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料選取本公司生產(chǎn)的牌號為6061、6063、6005A鋁合金型材，其化學(xué)成分如表1所示。利用北京時(shí)代生產(chǎn)的型號THB-3000D布氏硬度試驗(yàn)機(jī)測試布氏硬度，施加的載荷力為250kgf。另外，利用濟(jì)南思達(dá)測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為WDW-300的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表1 常見6xxx系鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 抗拉強(qiáng)度與硬度的關(guān)系

由表2誤差數(shù)據(jù)可知，抗拉強(qiáng)度的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差最大為5.8%，范圍最大在±3.0%之間；布氏硬度計(jì)算值與實(shí)測值的最大誤差為5.6%，范圍最大在±2.5%之間。

表2 常見6xxx系鋁合金試樣抗拉強(qiáng)度與布氏硬度的計(jì)算值與實(shí)測值的比較

圖1 抗拉強(qiáng)度與布氏硬度計(jì)算值與實(shí)測值的比較

2.3.2 抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系式準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系式的準(zhǔn)確性，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)與《實(shí)用五金手冊》，將鋁合金布氏硬度范圍值（80HB～100HB）[6]帶入方程，得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值進(jìn)行對比，對其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并求出誤差，如表3所示。

抗拉強(qiáng)度的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差最大為4.4%；布氏硬度計(jì)算值與實(shí)測值的最大誤差為4.6%，由此可見計(jì)算值與實(shí)測值相差不大，證明建立的抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系式可靠。

表3 鋁合金硬度與抗拉強(qiáng)度換算值

3 結(jié)論

（1）影響6×××系鋁合金力學(xué)性能與硬度的因素主要有：鑄錠的化學(xué)成分、鑄錠均勻化處理、型材擠壓溫度與速度、型材淬火效果、型材人工時(shí)效。

（2）將公式σb≈3.234×1.053HB計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比，理論抗拉強(qiáng)度與實(shí)際抗拉強(qiáng)度誤差范圍在±3%，由公式反推得到的理論布氏硬度與實(shí)際布氏硬度誤差范圍在±2.5%。此次試驗(yàn)結(jié)果證明該公式誤差在可接受范圍內(nèi)，對實(shí)際生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

（3）結(jié)合其他工業(yè)材公司參考《實(shí)用五金手冊》技術(shù)研究的結(jié)果，參數(shù)中的布氏硬度范圍值證明建立的抗拉強(qiáng)度與硬度關(guān)系式是可靠的。

[1]Hao ZHONG,Paul POMETSCH,Yuri ESTRIN.Effect of alloy composition and heat treatment on mechanical performance of 6xxx aluminum alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24:2174-2178

[2]肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004，（10）：707

[3]吳錫坤.鋁型材加工實(shí)用技術(shù)手冊[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2006，（6）：474

[4]李彩文，潘學(xué)著，劉露露，等.在線淬火對6061、6005鋁合金型材組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2010,6（6）：59-62

[5]張玉庭.簡明熱處理工手冊（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.872

[6]張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查五金手冊[M].北京：中國科技文化出版社，2005，(1):219-220

Analysis of Relationship between Mechanical Properties and Hardness of 6×××Series Aluminum Alloy

XIAO Dong,DU Yong-xia,YANG Yun-dong,YE Peng-fei,WANG Cong-kun
(Nanshan Aluminum Profile Company,Longkou 265706,China)

The factors influencing the mechanical properties and hardness of aluminum alloy products and the relationship between the tensile strength and hardness were discussed in the paper,which has important practical guiding significance to the production.

aluminum alloy;mechanical properties;hardness

TG146.21

A

1005-4898(2017)03-0050-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.11

肖棟（1984-），男，山東龍口人，工程師。

2017-04-10