國產(chǎn)結(jié)構用鋁合金低溫力學性能試驗研究

郭小農(nóng) 陶磊 吳杰 王千青 高安江

摘? ?要：為彌補目前國內(nèi)外對結(jié)構用鋁合金低溫力學性能試驗研究的不足，完成了國產(chǎn)結(jié)構用鋁合金6082-T6、6N01-T6、6061-T6和6061-T4的低溫恒溫加載試驗.試驗測得4種牌號鋁合金在-120～20 ℃下的抗拉極限強度、名義屈服強度、延伸率和斷面收縮率等力學性能指標.試驗結(jié)果表明，低溫下鋁合金會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，其抗拉極限強度和名義屈服強度均有所增加，但斷后延伸率以及斷面收縮率的變化規(guī)律不明顯.通過試驗數(shù)據(jù)擬合，得到4種牌號鋁合金力學性能指標的低溫提高系數(shù)的計算式.最后，將提高系數(shù)計算式與美國規(guī)范建議值進行比較，結(jié)果表明美國規(guī)范較為保守.

關鍵詞：鋁合金;低溫;力學性能

中圖分類號：TU512.4;TU395 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）01—0022—10

Abstract： To complement the insufficient experimental study on the mechanical behavior of aluminum alloy at low temperature， tensile tests of Chinese structural aluminum alloy 6082-T6， 6N01-T6， 6061-T6， and 6061-T4 under constant low temperatures were carried out， and their mechanical properties including the ultimate tensile strength， nominal yield strength， elongation rate and section shrinkage were obtained at different temperatures that range from -120 to 20 ℃. It is found that material hardening of the aluminum alloy occurs at low temperatures， leading to the increase of the ultimate tensile strength and nominal yield strength. However， the change rule of the elongation rate and section shrinkage is not clear. The increasing factor formulae of the mechanical properties for the 4 kinds of aluminum alloy at low temperatures were derived through a numerical fitting method. Moreover， the fitting formulae were compared with the corresponding formula prescribed in American standard. The results demonstrate that the American standard method provides more conservative estimation

Key words： aluminum alloys;low temperature;mechanical properties

鋁合金具有自重輕、耐腐蝕性好、韌性好和強度高等優(yōu)點，在建筑結(jié)構中得到了越來越廣泛的應用.相比于鋼材低溫下容易脆斷的缺點，鋁合金在低溫條件下卻具有強度提高和韌性改善的優(yōu)點[1]，因此，在極地探索、航空航天、寒冷地區(qū)高速列車等低溫領域，鋁合金具有十分廣闊的應用空間和應用前景.

國外對鋁合金材料力學性能的研究較為成熟，當前的研究主要集中于高溫領域.Khalifa等[2-4]分別對鋁合金材料進行拉伸試驗和彎曲試驗，并提出了考慮材料蠕變效應的本構關系模型[5-6];歐洲規(guī)范[7]和美國規(guī)范[8]對于鋁合金高溫下力學性能也有明確規(guī)定.然而，國外對于鋁合金低溫力學性能的研究相對較少.Kaufman[3]在1999年對鋁合金材料進行低溫拉伸，得到了美國常用鋁合金的低溫材性數(shù)據(jù)，但并未提出合理的低溫材性本構模型;美國規(guī)范也僅是總結(jié)Kaufman等人的試驗數(shù)據(jù)，對少數(shù)幾種牌號鋁合金的低溫力學性能給出了建議值.Yin等[9]利用液氮低溫環(huán)境進行多軸鍛造，使得7075鋁合金的金屬組織晶粒細化，力學性能得到較大提高.Baudouy等[10]發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，鋁合金5056的導熱系數(shù)減小.Schneider等[11]分別對航空航天常用的EN AW-1050、EN AW-5182、EN AW-6016、EN AW-7021等鋁合金在77～298 K溫度區(qū)間下進行拉伸試驗，得到低溫下其力學性能提升的結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)低溫可以有效緩解其金屬塑性不穩(wěn)定現(xiàn)象.

國內(nèi)對鋁合金材料力學性能的研究起步較晚.郭小農(nóng)等[12]研究了國產(chǎn)結(jié)構用鋁合金的常溫本構關系及物理力學性能，指出Ramberg-Osgood模型和SteinHardt建議適用于國產(chǎn)結(jié)構用鋁合金.彭航等[13]對建筑結(jié)構用6061-T6系鋁合金進行了高溫下的力學性能研究，提出了各力學參數(shù)隨溫度變化的計算公式.張輝等[14]發(fā)現(xiàn)連續(xù)擠壓工藝會使得鋁合金組織晶粒細小而均勻，從而改善其拉伸性能.孟立春等[15]研究了7N01和6N01鋁合金T型焊接接頭，發(fā)現(xiàn)接頭不同區(qū)域晶粒組織存在顯著差異.對于鋁合金低溫力學性能，劉瑛等[16]曾從微觀角度對2519鋁合金的低溫性能提升的原因進行過探究.然而對于鋁合金低溫下力學性能的提高系數(shù)，尤其是常見的6×××系列結(jié)構用鋁合金，國內(nèi)的研究幾乎為空白.程麗霞[17]將3105鋁合金分別在-20 ℃、-60 ℃和-100 ℃下保溫1 h后進行拉伸試驗，試驗結(jié)果表明隨著溫度的降低，鋁合金材料的抗拉強度呈上升趨勢.而對3105鋁合金進行不同溫度不同時長的深冷處理后，再進行常溫下的拉伸試驗結(jié)果表明：深冷處理對鋁合金的常溫拉伸性能無明顯影響.蔣顯全等[18]研究了O、H19和H26狀態(tài)下3012鋁合金在-175～300 ℃的力學性能，試驗發(fā)現(xiàn)3種狀態(tài)下鋁合金的抗拉強度和屈服強度均隨著溫度升高而降低，且H19和O狀態(tài)鋁合金在低溫下塑性沒有明顯改善，而H26狀態(tài)鋁合金則具有優(yōu)良的低溫塑性.

近年來，在建筑結(jié)構領域中，除了傳統(tǒng)牌號6061-T6以及6061-T4，一些新型牌號也逐漸得到應用，比如6082-T6和6N01-T6等.對于這些國產(chǎn)牌號的鋁合金，其低溫下的力學性能研究資料非常匱乏.鑒于此，本文完成了上述4種牌號鋁合金低溫下的力學性能試驗，得出了其低溫下的力學性能指標.

1? ?試驗設計

1.1? 試件設計

本文設計了4種牌號的鋁合金試件共計54根.試件詳圖如圖1所示.圖2為6061-T6系列試件在試驗前的照片.試件編號如表1所示.由于極端低溫環(huán)境下的溫度一般不會低于-120 ℃，同時也受限于試驗條件，故本文共設置了20 ℃、0 ℃、-20 ℃、-50 ℃、-100 ℃、-120 ℃等6個溫度點.表1還給出每根試件的實測截面尺寸.所有試件均為板材拉伸試樣，名義截面尺寸為15 mm × 4 mm;為滿足低溫箱內(nèi)的夾持要求，等截面段長度150 mm，試件總長度300 mm.

1.2? ?加載和測量裝置

本試驗在同濟大學力學試驗中心完成，所用試驗儀器為島津低溫電子萬能試驗機，型號為AG-250.試驗機最大量程為250 kN，滿足試驗要求.試驗儀器由四部分組成，分別為加載裝置、降溫與恒溫設備、位移測量攝像頭、操作與控制裝置.由于試驗是在低溫下進行的，因此常溫位移引伸計不再適用，本試驗采用了高清攝像頭捕捉應變.試驗前首先在試件上涂刷耐低溫漆以加大反光率，然后在涂層上設定光學捕捉標記，通常標記間距為20 ～ 40 mm.試驗時將高清攝像頭捕捉到的距離變化輸入到采集系統(tǒng)中，并通過標距進一步換算出應變.

按照規(guī)范GB/T? ?13239—2006[19]的要求，安裝試件對中后固定試件兩端，調(diào)整試驗機加載端位移以釋放試件上的初始應力，由儀器控制液氮的充入使得試件達到指定溫度，并保持溫度恒定10 min，再采用應變速率控制進行加載，應變加載速率為2 mm/min（相對誤差±20%）.加載裝置如圖3所示.

2? ?試驗結(jié)果分析

鋁合金拉伸試件所受到的荷載及其變形由數(shù)據(jù)萬能試驗機的自動采集系統(tǒng)得到.與此同時，試驗過程中通過光學攝像頭捕捉試件中部的位移變化可以完整地記錄試件在加載過程中標記段的伸長量.試件拉斷后采用游標卡尺可測得斷后延伸率和斷面收縮率.試件拉斷后情況見圖4.從圖4可以看出，由于試驗條件限制，部分試件的斷口未出現(xiàn)在中部，因此測得的部分延伸率數(shù)據(jù)不夠準確.

圖5給出了部分試件的斷口照片，從圖5可以看出，強硬化合金6061-T4在低溫下的破壞接近塑性破壞，斷口截面有較明顯的頸縮;而6N01-T6則接近脆性破壞，斷口有許多參差不齊的金屬纖維，試件斷裂時能聽到清脆的斷裂聲.

圖6給出所有試件在0～2%應變范圍內(nèi)的應力應變曲線.表2給出了所有試件的力學性能指標實測結(jié)果.從表2和圖6可以看出，對于各個系列鋁合金，隨著溫度的降低，極限強度fu逐漸提高，其中6061-T6和6082-T6的提高幅度較大，而6N01-T6和6061-T4的提高幅度較小;隨著溫度的降低，名義屈服強度f0.2也逐漸提高，其中6061-T4的提高幅度最大.從微觀角度來看[16-17]，低溫下鋁合金金屬組織晶粒細化，同時變形時位錯分布呈現(xiàn)均勻性，并且位錯間相互纏繞發(fā)生強烈的交互作用，有助于提高合金的形變抗力，使得拉伸時開動位錯滑移的臨界分切應力增大，因此其強度得到提升.

低溫下鋁合金拉伸變形表現(xiàn)出加工硬化現(xiàn)象[18]，圖7特別給出了6061-T4系鋁合金在0～1%應變范圍內(nèi)的應力應變曲線.從圖7可以看出，隨著溫度的降低，6061-T4系鋁合金由彈性段進入塑性段的過渡更加平緩，這說明溫度越低，材料位錯增殖越快，加工硬化現(xiàn)象越突出，即R-O模型的n值越小.

圖8和圖9分別為試件延伸率δ5（平均值）和斷面收縮率ψ（平均值）隨溫度的變化曲線，兩者的變化規(guī)律大致相同.可以看出，6061-T4的延伸率和斷面收縮率曲線幾乎一直高于其余三個牌號，且其斷面收縮率達到40%左右，而6N01-T6的曲線則處于比較低的水平，這與前文觀察兩者斷口圖得到的結(jié)論一致.

由于試驗誤差的原因，6061-T4和6082-T6的延伸率和斷面收縮率隨溫度變化的規(guī)律不明顯，但總體都呈現(xiàn)上升的趨勢，并且都高于室溫下的數(shù)值，表現(xiàn)出良好的低溫塑性.從微觀角度來看[20]，隨著溫度的降低，金屬原子位錯發(fā)生滑移的難度增加，因此導致鋁合金材料的流變應力和加工硬化能力增強，變形的均勻性增強，使得其延伸率基本維持不變甚至有所增長.然而，6061-T6在試驗溫度區(qū)間，隨著溫度的降低，其延伸率和斷面收縮率都略有降低，但降低幅度不大.

3? ?鋁合金低溫強度提高系數(shù)

前文通過試驗得到了4種牌號鋁合金低溫下的力學性能，其中由于測量手段限制，彈性模量和延伸率的準確度不高，因此本節(jié)基于試驗數(shù)據(jù)，僅對低溫下抗拉極限強度和名義屈服強度的提高系數(shù)進行了公式擬合.

3.1? ?抗拉極限強度的低溫提高系數(shù)

記k1（T）為低溫下抗拉強度提高系數(shù)，則溫度為T時鋁合金極限強度標準值fu（T）可按下式計算：

式中：fu為常溫下鋁合金抗拉極限強度.采用表2中得到的試驗平均值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的抗拉極限強度的低溫提高系數(shù)公式如式（2a）～式（2d）所示.

式中：溫度T的適用范圍為-120～20 ℃.圖10給出了各種牌號鋁合金的低溫試驗點和擬合曲線之間的關系圖.

表3列出了根據(jù)擬合公式計算得到的抗拉強度低溫提高系數(shù)值，并和文獻[3]試驗結(jié)果以及美國規(guī)范[8]推薦值進行了對比.美國規(guī)范[8]僅給出了6061-T6的低溫力學性能，且僅有-30 ℃、-80 ℃和-195 ℃等3個數(shù)據(jù)點.文獻[3]給出了6061-T6和6061-T4兩個牌號的低溫數(shù)據(jù)點，但也僅有-196 ℃、-80 ℃、-30 ℃等3個數(shù)據(jù)點.文獻[3]提供的牌號中并不包括6082-T6和6N01-T6，為了對比方便，表3中在相應位置給出了6101-T6和6063-T6的數(shù)據(jù).

3.2? ?名義屈服強度的低溫提高系數(shù)

記k2（T）為低溫下名義屈服強度提高系數(shù)，則溫度為T時鋁合金的名義屈服強度標準值f0.2（T）可按下式計算：

式中：f0.2（T）為常溫下的鋁合金名義屈服強度.采用表2中試驗平均值進行多項式擬合，可以得到各牌號鋁合金的名義屈服強度低溫提高系數(shù)公式如式（4a）～式（4d）所示.

以上各式中，溫度T的適用范圍為-120～20 ℃.圖11給出了4種牌號鋁合金的低溫試驗點和擬合曲線之間的關系圖.

表4列出了根據(jù)擬合公式計算得到的名義屈服強度低溫提高系數(shù)值，并和文獻[3]試驗結(jié)果以及美國規(guī)范[8]推薦值行了對比.對于美國規(guī)范和文獻[3]的數(shù)據(jù)引用方法和表3一致.

3.3? ?擬合公式與美國規(guī)范和文獻[3]對比

依據(jù)美國規(guī)范、文獻[3]所給出的特定溫度點下的影響系數(shù)，利用二項式擬合從而獲得其影響系數(shù)的變化曲線，將變化曲線與擬合公式的結(jié)果進行對比，從而得出擬合公式與相關參考資料的影響系數(shù)變化趨勢的規(guī)律.

圖12對比了各系列鋁合金抗拉極限強度的提高系數(shù)曲線，圖中包括本文擬合公式、美國規(guī)范推薦值以及文獻[3]的試驗值.從圖12可以看出：本文的4條擬合曲線中，6061-T6和6082-T6的曲線隨溫度降低增長明顯高于其余曲線，說明低溫狀態(tài)對上述兩種牌號鋁合金的性能提高影響最為明顯;對于6061-T4，本文擬合曲線低于文獻[3]和美國規(guī)范數(shù)值，這也說明了如果直接參考國外資料進行設計可能會出現(xiàn)不安全的情況;而本文其他曲線均接近或高于美國規(guī)范曲線，這說明美國規(guī)范較為保守;對于6N01-T6鋁合金，曲線增長非常緩慢，說明其在低溫條件下抗拉強度變化不大.

圖13對比了各系列鋁合金名義屈服強度的提高系數(shù)曲線，圖中包括本文擬合公式、美國規(guī)范推薦值以及文獻[3]的試驗值.從圖13可以看出，本文的擬合曲線除6N01-T6外均高于美國規(guī)范或文獻[3]，說明美國規(guī)范較為保守;6061-T6和6061-T4的曲線高于其余兩條，說明6061系鋁合金在低溫條件下屈服強度有較大的提高，且6061-T4提高最明顯;6N01-T6鋁合金的屈服強度也幾乎沒有太大的變化，綜合其抗拉強度的變化規(guī)律，可以知道該種鋁合金在低溫條件下性能非常穩(wěn)定.

4? ?結(jié)論和展望

本文完成了國產(chǎn)6082-T6、6N01-T6、6061-T6和6061-T4鋁合金在-120～20 ℃的恒溫低溫拉伸材性試驗，測得了各種牌號鋁合金在各個溫度條件下的應力-應變曲線.主要結(jié)論如下：

1）本文測得國產(chǎn)6082-T6、6N01-T6、6061-T6和6061-T4鋁合金在-120～20℃下的抗拉極限強度、名義屈服強度、延伸率和斷面收縮率等力學性能指標.

2）隨著溫度的降低，各種鋁合金的力學性能有所差異，但總體趨勢是抗拉極限強度和名義屈服強度均有所增加;低溫對斷后延伸率以及斷面收縮率的影響規(guī)律不明顯.

3）通過試驗數(shù)據(jù)的擬合，給出國產(chǎn)6082-T6、6N01-T6、6061-T6和6061-T4鋁合金在-120～20 ℃時抗拉極限強度fu和名義屈服強度f0.2的低溫提高系數(shù)計算公式.

4）由于測量儀器的誤差和試件斷口位置的影響，測得的鋁合金低溫彈性模量和延伸率不夠準確，需要對低溫下的應變測量方法進行深入研究;另外，由于試驗數(shù)據(jù)點較少，要得出更為廣泛的結(jié)論，有必要進行更加深入和廣泛的試驗研究.

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