國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)用鋁合金高溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究

郭小農(nóng) 高志朋 朱劭駿 王昆 相陽(yáng) 高安江

摘 要：為了研究鋁合金材料在高溫下的力學(xué)性能，完成了國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)用鋁合金6082-T6、6N01-T6、6061-T4和6061-T6的高溫下恒溫加載試驗(yàn).試驗(yàn)測(cè)得了4種牌號(hào)鋁合金在不同溫度下（20 ～ 300 ℃）的力學(xué)性能，包括名義屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能指標(biāo).然而在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高溫下材料應(yīng)變難以準(zhǔn)確測(cè)量，因此未能獲得各牌號(hào)鋁合金高溫下的彈性模量.將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了4種牌號(hào)鋁合金力學(xué)性能指標(biāo)高溫折減系數(shù)的計(jì)算式，為鋁合金結(jié)構(gòu)的抗火性能研究打下基礎(chǔ).此外，還將所得到的折減系數(shù)計(jì)算式與歐洲規(guī)范和美國(guó)規(guī)范中的建議值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明規(guī)范建議值均偏安全，其中美國(guó)規(guī)范最為保守.

關(guān)鍵詞：鋁合金；高溫；拉伸試驗(yàn)；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU512.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2018）07—0020—09

Abstract： In order to investigate the elevated-temperature mechanical behavior of aluminum alloy， tensile tests of domestic structural aluminum alloy 6082-T6，6N01-T6，6061-T4，6061-T6 under constant elevated temperatures were carried out， and their mechanical properties under various temperatures（20 ～ 300 ℃） were obtained， including the nominal yield strength， ultimate strength and elongation. It was found that the strain of aluminum alloy specimens at elevated temperature could hardly be accurately measured， leading that their elastic modulus was not obtained. The formulae of reduction factors on the mechanical properties of the 4 kinds of aluminum alloy at elevated temperatures were derived through numerical fitting method， laying a solid foundation of the research on fire resistance of aluminum alloy structures. Moreover， the theoretical formulae were compared with the reduction factors suggested by Eurocode and American Standard. The results revealed that the codes inclined to the safe side， and the American Standard was more conservative.

Key words： aluminum alloy；elevated temperatures；tensile tests；mechanical properties

鋁合金是一種新型建筑材料，和傳統(tǒng)的鋼材相比，鋁合金具有重量輕、強(qiáng)度高、可模性好、延展性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中[1].和鋼材相比，鋁合金的防火性能較差，隨著溫度的升高，鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量下降很快[2].鋁合金材料的耐火性能直接影響到鋁合金結(jié)構(gòu)高溫下的安全性，因此研究鋁合金高溫下的力學(xué)性能是十分必要的.

國(guó)外對(duì)于鋁合金高溫下的力學(xué)性能研究較為成熟。Khalifa[3]和Kaufman[4]等分別對(duì)鋁合金材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和受彎試驗(yàn)，Dorn[5]和Harmathy [6] 等提出了考慮材料蠕變效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型，用以模擬鋁合金材料高溫下的本構(gòu)關(guān)系，Maljaars等[7]提出不同系列鋁合金高溫彈性模量公式。Maljaars等[8]還指出，鋁合金的高溫強(qiáng)度受蠕變變形的影響，對(duì)于5×××系列（如5083-O，5083-H12，等）鋁合金，歐洲規(guī)范[9]給出的名義屈服強(qiáng)度偏于不安全。

和國(guó)外的研究相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋁合金高溫力學(xué)性能的研究起步較晚.2009年，彭航[10]等完成了建筑用6061-T6系鋁合金高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得出了該系列鋁合金高溫下的材料性能指標(biāo)，包括抗拉強(qiáng)度、彈性極限強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到高溫下的材性模型.梁水

平[11]完成了國(guó)產(chǎn)7020-T6鋁合金高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)研究，得到了該系列鋁合金的名義屈服應(yīng)力、彈性模量、延伸率、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)，并給出了高溫下力學(xué)性能的折減系數(shù)建議值.張輝[12]等完成了4050系鋁合金的熱壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了該鋁合金的熱變形行為及其熱加工特性.嚴(yán)紅革[13]等研究了

2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料高溫下的拉伸力學(xué)性能.

近年來(lái)，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)牌號(hào)6061-T6以及6061-T4，一些新型牌號(hào)也逐漸得到應(yīng)用，比如6082-T6和6N01-T6等.對(duì)于這些國(guó)產(chǎn)牌號(hào)的鋁合金，其高溫下的力學(xué)性能研究資料非常匱乏.鑒于此，本文完成了上述4種牌號(hào)鋁合金高溫下的力學(xué)性能試驗(yàn)，得出了其高溫下的力學(xué)性能指標(biāo).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》（GB/T228.1—2010，GB/T228.2—2015）[14-15]，本文設(shè)計(jì)了4種牌號(hào)的鋁合金試件共計(jì)48根，試件編號(hào)如表1所示.由于鋁合金在300 ℃以上時(shí)，承載力下降過(guò)快，同時(shí)也受限于試驗(yàn)條件，故本文共設(shè)置了20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃等6個(gè)溫度點(diǎn).表1還給出每根試件的實(shí)測(cè)截面尺寸.試件圖如圖1所示，所有試件均為板材拉伸試樣，名義截面尺寸為15 mm × 4 mm；為滿(mǎn)足高溫爐的夾持要求，等截面段長(zhǎng)度150 mm，試件總長(zhǎng)度300 mm.圖2給出了6082-T6系列試件在試驗(yàn)前的照片.

1.2 加載和測(cè)量裝置

本試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)中心完成，所用試驗(yàn)儀器為島津高溫電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為AG-250.試驗(yàn)機(jī)最大量程為250 kN，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求.試驗(yàn)儀器由四部分組成，分別為加載裝置（見(jiàn)圖3）、熱與恒溫設(shè)備、位移測(cè)量側(cè)攝像頭、操作與控制裝置.由于試驗(yàn)是在高溫下進(jìn)行的，因此常溫位移引伸計(jì)不

再適用，本試驗(yàn)采用了高清攝像頭捕捉應(yīng)變；試驗(yàn)前首先在試件上涂刷防火漆以加大反光率，然后在防火漆上設(shè)定光學(xué)捕捉標(biāo)記，通常標(biāo)記間距為20 ～ 40 mm；試驗(yàn)時(shí)將高清攝像頭捕捉到的距離變化輸入到采集系統(tǒng)中，并通過(guò)標(biāo)距進(jìn)一步換算出應(yīng)變.試件加載前在恒溫設(shè)備內(nèi)加熱，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后保持恒溫15 min，然后在恒定溫度下進(jìn)行加載試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

各試件在加載初期，拉力增長(zhǎng)速度很快，而拉伸變形只有少量增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)近似為一條傾斜的直線(xiàn)，材料處于彈性階段.當(dāng)拉力增大到一定程度后，拉伸變形開(kāi)始急劇增大，而拉力基本恒定，材料進(jìn)入屈服階段.最后試件某個(gè)位置出現(xiàn)頸縮，荷載急劇下降，直至試件斷裂.當(dāng)溫度相對(duì)較低時(shí)，試件斷裂時(shí)能聽(tīng)到明顯的斷裂聲，試件斷口呈現(xiàn)45°斜破壞面；而隨著溫度升高，斷裂時(shí)的聲音逐漸微弱，斷口截面收縮更為明顯，斷口更加平直.

表2給出了所有試件的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率，并給出了各組試件的試驗(yàn)結(jié)果均值.圖4給出部分試件拉斷后的照片.從圖4可以看出，由于試驗(yàn)條件限制，部分試件的斷口未出現(xiàn)在中部，因此表2中的延伸率數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確.

圖5給出了6082-T6系列試件和6N01-T6系列試件的實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，從圖5可以看出：隨著溫度的升高，鋁合金的名義屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度均不斷下降.

3 高溫下力學(xué)性能指標(biāo)折減系數(shù)

高溫下和常溫下結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)主要區(qū)別在于材料性能隨溫度的變化而變化，因此結(jié)構(gòu)抗火分析結(jié)果的精度很大程度上取決于分析中所采用的高溫下力學(xué)性能指標(biāo).其中最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)包括彈性模量、名義屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和延伸率等.由于試驗(yàn)得到的彈性模量和延伸率不夠準(zhǔn)確，故后文僅給出了極限強(qiáng)度和名義屈服強(qiáng)度的高溫折減系數(shù).

3.1 極限強(qiáng)度高溫折減系數(shù)

記k1（T）為高溫下極限強(qiáng)度折減系數(shù)，則為溫度T時(shí)鋁合金極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fu（T）可按下式計(jì)算：

其中，fu為常溫下的鋁合金極限強(qiáng)度.采用表2中得到的試驗(yàn)平均值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以得到各牌號(hào)鋁合金的抗拉強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式如式（2a）～ 式（2d）所示：

采用表2中得到的試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算得到具有95%保證率的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以得到各牌號(hào)鋁合金的抗拉強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式如式（3a）～式（3d）所示：

以上各式中，溫度T的適用范圍為0 ～ 300 ℃.圖6給出了各種牌號(hào)鋁合金的高溫試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)之間的關(guān)系圖.表3列出了根據(jù)擬合公式計(jì)算得到的極限強(qiáng)度高溫折減系數(shù)值，并將6061-T6和美國(guó)規(guī)范[16]的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，美國(guó)規(guī)范沒(méi)有給出其余牌號(hào)鋁合金的極限強(qiáng)度高溫折減系數(shù).

3.2 名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)

記k2（T）為高溫下名義屈服強(qiáng)度折減系數(shù)，則為溫度T時(shí)鋁合金的名義屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f0.2（T）可按下式計(jì)算：

其中，f0.2為常溫下的鋁合金名義強(qiáng)度.采用表2中試驗(yàn)平均值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以得到各牌號(hào)鋁合金的名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式如式（5a）～式（5d）所示：

采用表2中得到的試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算得到具有95%保證率的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可以得到各牌號(hào)鋁合金的名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式如式（6a）～式（6d）所示：

以上各式中，溫度T的適用范圍為0～300 ℃.圖7給出了4種牌號(hào)鋁合金的高溫試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)之間的關(guān)系圖.表4列出了根據(jù)平均值擬合公式計(jì)算得到的名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)值，并和歐洲規(guī)范[9]的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

3.3 擬合公式和各國(guó)規(guī)范的對(duì)比

歐洲鋁合金抗火規(guī)范[9]給出了歐洲常用鋁合金的名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)，但是并沒(méi)有給出極限強(qiáng)度的高溫折減系數(shù).圖8對(duì)比了本文的擬合公式和歐洲規(guī)范以及美國(guó)規(guī)范的建議曲線(xiàn).歐洲規(guī)范推薦的合金牌號(hào)包括6061-T6和6082-T6，但沒(méi)有6N01-T6以及6061-T4；而美國(guó)規(guī)范推薦了6061-T6牌號(hào)，其余3種牌號(hào)沒(méi)有推薦.從圖8可以看出：本文的4條擬合曲線(xiàn)中，6061-T4的曲線(xiàn)明顯高于其余3條曲線(xiàn)，說(shuō)明高溫下熱處理狀態(tài)為T(mén)4的強(qiáng)硬化合金受高溫影響不明顯；對(duì)于6061-T6，本文擬合曲線(xiàn)和EC9曲線(xiàn)較為接近，而本文曲線(xiàn)略高于EC9曲線(xiàn)，但均遠(yuǎn)高于美國(guó)規(guī)范曲線(xiàn)，這說(shuō)明美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)非常偏于安全；對(duì)于6082-T6，本文曲線(xiàn)和EC9曲線(xiàn)也較為接近，但也略高于EC9曲線(xiàn).另外，將6061-T6曲線(xiàn)和6082-T6曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文擬合曲線(xiàn)和EC9曲線(xiàn)均呈現(xiàn)6061-T6高于6082-T6的情況，這表明由于6082-T6的強(qiáng)度更高，其受高溫的影響更為嚴(yán)重.

美國(guó)規(guī)范[16]還給出了美國(guó)常用鋁合金的極限強(qiáng)度高溫折減系數(shù).圖9對(duì)比本文的擬合公式和美國(guó)規(guī)范的建議曲線(xiàn)以及彭航等[10]的試驗(yàn)結(jié)果.從圖9可以看出，本文的4條擬合曲線(xiàn)基本重合在一起，其中僅6N01-T6略低；本文的4條擬合曲線(xiàn)和美國(guó)規(guī)范相比，除了6N01-T6曲線(xiàn)在20 ～ 150 ℃區(qū)間略低以外，其余遠(yuǎn)高于美國(guó)規(guī)范，美國(guó)規(guī)范對(duì)高于150 ℃區(qū)間的折減系數(shù)取值大幅偏于安全.原因?yàn)楸驹囼?yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，且美國(guó)規(guī)范取值也偏于保守.彭航

等[10]的試驗(yàn)曲線(xiàn)比本文的試驗(yàn)曲線(xiàn)略高.

圖10還給出了本文擬合的曲線(xiàn)中6061-T6和6061-T4的對(duì)比情況.從圖10可以看出，對(duì)于名義屈服強(qiáng)度，6061-T4的曲線(xiàn)明顯高于6061-T6的曲線(xiàn)，這是由于6061-T4為強(qiáng)硬化合金，其常溫下名義屈服強(qiáng)度f(wàn)0.2較小而強(qiáng)屈比較大，熱處理狀態(tài)對(duì)合金的硬化效果不顯著，因此高溫對(duì)于其名義屈服強(qiáng)度影響反而較?。欢?061-T6為弱硬化合金，其常溫下的f0.2較大，熱處理的硬化效果顯著，以至于高溫對(duì)于其名義屈服強(qiáng)度的影響更為顯著.從圖10還可以看出，對(duì)于極限強(qiáng)度，6061-T4的曲線(xiàn)和6061-T6的曲線(xiàn)卻幾乎重合，這表明雖然熱處理狀態(tài)會(huì)影響合金的名義屈服強(qiáng)度，但對(duì)合金的極限強(qiáng)度影響有限，因而其高溫折減系數(shù)基本相同.

4 結(jié) 論

1） 本文完成了6082-T6、6N01-T6、6061-T6以及6061-T4等4種牌號(hào)國(guó)產(chǎn)鋁合金的高溫恒溫拉伸試驗(yàn)，得到各試件在高溫下的名義屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率.

2） 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了4種牌號(hào)國(guó)產(chǎn)鋁合金的名義屈服強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式和極限強(qiáng)度高溫折減系數(shù)公式，并和歐洲規(guī)范以及美國(guó)規(guī)范的建議值進(jìn)行了對(duì)比.對(duì)比表明，本文擬合得到的高溫折減系數(shù)曲線(xiàn)均高于歐洲規(guī)范和美國(guó)規(guī)范，其中美國(guó)規(guī)范最為保守.

3） 為能準(zhǔn)確地獲得鋁合金高溫彈性模量，需要對(duì)高溫下材料彈性模量的測(cè)量方法進(jìn)行深入研究.為了能更加準(zhǔn)確地了解國(guó)產(chǎn)鋁合金的高溫力學(xué)性能，還需要補(bǔ)充更多的試驗(yàn)，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，給出更為精確合理的計(jì)算公式.

參考文獻(xiàn)

[1] 沈祖炎，郭小農(nóng)，李元齊. 鋁合金結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)述[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28（6）：100-109.

SHEN Z Y，GUO X N，LI Y Q. State-of-the-arts research on aluminum alloy structures[J]. Journal of Building Structures，

2007， 28（6）：100—109. （In Chinese）

[2] 郭小農(nóng)，梁水平，蔣首超. 鋁合金構(gòu)件不銹鋼螺栓連接高溫性能研究綜述[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2015，17（5）：18—23.

GUO X N，LIANG S P，JIANG S C. Research review on the mechanical behavior of stainless steel bolted joint for aluminum alloy members at elevated temperatures[J]. Progress in Steel Building Structures，2015，17（5）：18—23. （In Chinese）

[3] KHALIFA T A，MAHMOUD T S.Elevated temperature mechanical properties of Al alloy AA6063/SiCp MMCs[C]// Proceedings of the World Congress on Engineering. London，2009：1—3.

[4] KAUFMAN J G. Properties of aluminum alloys： Tensile，creep，and fatigue data at high and low temperatures [J]. ASM International，1999，23（9）：668—670.

[5] DORN J E. Some fundamental experiments on high temperature creep[J]. Journal of the Mechanics & Physics of Solids，1954，3（2）：85—116.

[6] HARMATHY T Z. A comprehensive creep model[J]. Journal of Fluids Engineering，1967，89（2）：496—502.

[7] MALJAARS J，SOETENS F，KATGERMAN L. Constitutive model for aluminum alloys exposed to fire conditions[J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39（4）：778—789.

[8] MALJAARS J，TWILT L，F(xiàn)ELLINGER J，et al. Aluminum structures exposed to fire conditions—An overview[J].Heron，2010，55（2）：85—122.

[9] BS EN1999-1-2： 2007 Eurocode 9： Design of aluminum structures—part1-2： general rules—structural fire design[S]. London： European Committee for Standardization，2007：19—20.

[10] 彭航，蔣首超，趙媛媛. 建筑用6061-T6系鋁合金高溫下力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（7）：46—49.

PENG H，JIANG S C，ZHAO Y Y. Experimental study on the mechanical property of structural AL-alloy at elevated temperatures[J]. China Civil Engineering Journal，2009，42（7）：46—49. （In Chinese）

[11] 梁水平. 鋁合金板件不銹鋼螺栓連接高溫承載性能研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2016： 21—28.

LIANG S P. Research on the mechanical behavior of aluminum alloy components with stainless steel bolt connection at elevated temperature，engineering master s degree theses[D].Shanghai：College of Civil Engineering，Tongji University，2016： 21—28. （In Chinese）

[12] 張輝，伍豪杰，蔣福林. 4045鋁合金熱變形行為及其加工圖[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（8）：83～89.

ZHANG H，WU H J，JIANG F L. Hot deformation behavior and processing map of 4045 aluminum alloy[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2013，40（8）：83—89. （In Chinese）

[13] 嚴(yán)紅革，胡程進(jìn)，陳吉華，等. 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料耐熱性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，43（6）：1—9.

YAN H G，HU C J，CHEN J H，et al. Heat resistant properties of the 2024Al/Gr/SiCp hybrid composites [J]. Journal of Hunan

University（Natural Sciences），2016，43（6）：1—9. （In Chinese）

[14] GB/T 228.1—2010 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分： 室溫試驗(yàn)方法 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：6—15.

GB/T 228.1—2010 Metallic material—tensile testing—part1：

method of test at room temperature[S].Beijing：Standards Press of China，2011：6—15. （In Chinese）

[15] GB/T 228.2—2015 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第2部分： 高溫試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：3—8.

GB/T 228.2—2015 Metallic material— tensile testing—part2：method of test at elevated temperature[S]. Beijing： Standards Press of

China，2011：3—8. （In Chinese）

[16] The Aluminum Association. Aluminum design manual[M].8th ed. Washington D C： Aluminum Association，2005：V—33.