不同試樣形狀與尺寸對鋁合金力學(xué)性能的影響

孫 堯，李文瀚，韓世濤，王周冰，陸宏韜

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000)

鋁合金是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的有色金屬，其憑借低密度、高強度、高塑性、優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及抗腐蝕性等優(yōu)點，在海、陸、空、機械制造及化學(xué)工業(yè)中大量應(yīng)用[1-3]。如今，工業(yè)經(jīng)濟迅猛發(fā)展，對鋁合金的需求日益增多，使鋁合金的研究也更加深入。6xxx系合金具有Al-Mg-Si結(jié)構(gòu)，屬于可熱處理強化的變形鋁合金，具有中等強度，良好的焊接性和耐腐蝕性，集中了4xxx系和5xxx系合金的優(yōu)點[4]。6060合金具有良好的機械性能、中等強度、較高的抗腐蝕性和焊接性，近年來主要用于飛機零件、照相機鏡頭、耦合器、船舶配件、磁頭、剎車活塞等，是應(yīng)用比較廣泛的合金[5]。

拉伸試驗是獲取鋁合金力學(xué)性能的主要途徑之一。根據(jù)企業(yè)要求和實際生產(chǎn)情況，拉伸試樣只能選取一種形狀進(jìn)行試驗。對于臨界狀態(tài)(即樣坯尺寸處于臨界狀態(tài)時，可以選取不同形狀的標(biāo)準(zhǔn)試樣，或不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣)，試樣的選取對力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，目前的文獻(xiàn)中并沒有明確解決這一問題的針對性方案。本文圍繞這一課題，在室溫條件下，以T6狀態(tài)6060合金為代表，對臨界狀態(tài)下不同的試樣形狀及尺寸對鋁合金力學(xué)性能的影響展開了研究。

1 試驗過程

(1)試驗材料。選取臨界狀態(tài)的兩種樣坯進(jìn)行取樣，斷面圖見圖1，化學(xué)成分見表1。

表1 樣坯化學(xué)成分(wt.%)

(2)試樣加工。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865-2013[6]中規(guī)定，樣坯厚度不大于12.5mm時，應(yīng)選用50mm定標(biāo)距矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣，若不能加工成50mm的定標(biāo)距矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣時，可采用25mm的定標(biāo)距矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣；厚度大于12.5mm時，應(yīng)選用5d0的圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖1為各向同性T6狀態(tài)的6060合金，圖1中管材的厚度為12.5±0.5mm，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865-2013在圖1中的取樣位置1A處取12個試樣進(jìn)行機械加工，其中6個加工為圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，其余為弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣。在圖1中型材的取樣位置1處取12個試樣進(jìn)行機械加工，均加工成矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣，其中6個加工為寬度12.5mm的矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣(以下命名為大板)，其余為寬度6.0mm的矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣(以下命名為小板)。

(a)管材

(b)型材圖1 樣坯斷面圖Fig.1 Sectional viewof profile

(3)試樣尺寸測量。試樣直徑、厚度、寬度均用精確度為0.01的千分尺進(jìn)行測量并記錄。

(4)確定試樣標(biāo)距。圖1中管材試樣的標(biāo)距均為50mm，型材試樣的標(biāo)距分別為50mm和25mm。

(5)斷后伸長率的測量。采用圓規(guī)和精確度為0.02的游標(biāo)卡尺測量試樣斷裂后的標(biāo)距，計算斷后伸長率。A=(Lu-L0)/L0；式中，A為斷后伸長率，Lu為斷后標(biāo)距，L0為原始標(biāo)距。

(6)檢測方法。采用日本島津AG-X100KNH電子萬能試驗機，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010[7]對試樣進(jìn)行拉伸試驗，測定抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、斷后伸長率。

2 試樣結(jié)果與分析

2.1 試樣形狀對力學(xué)性能的影響

試驗溫度23℃，考察同批次不同試樣形狀對管材力學(xué)性能的影響。圖2為不同試樣形狀的力學(xué)性能指標(biāo)。由圖2可以看出，試樣的抗拉強度與規(guī)定塑性延伸強度具有相同的波動趨勢，但數(shù)值波動不明顯，說明兩種形狀的試樣力學(xué)性能均非常穩(wěn)定。相比之下，弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度高于圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，這可能與試樣的厚度有關(guān)[8]，對樣坯厚度處于臨界狀態(tài)進(jìn)行取樣時，弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣的厚度與樣坯厚度相同，而圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣需進(jìn)一步對樣坯進(jìn)行機械加工，使其直徑小于原始厚度。因此，樣坯厚度處于臨界狀態(tài)時，不同試樣形狀的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度是有差異的。

圖2 不同試樣形狀的力學(xué)性能指標(biāo)Fig.2 Mechanical properties of different sample shapes

圖3為不同試樣形狀的斷后伸長率。由圖3可以看出，弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣與圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣的伸長率相差較大，這是由于金屬流動的最小阻力定律決定的。試樣變形過程中，變形體中的質(zhì)點具有沿不同方向流動的趨勢，但最終將會沿著阻力最小的方向流動[9]。對于非圓形斷面的試樣，在變形過程中，棱角部位的變形量大，邊部中心處變形量小，在試樣保持不斷裂的情況下，將力圖使斷面的周界最小，最終趨于圓形斷面。拉伸過程中，當(dāng)延伸量相同時，非圓形斷面棱角部位的變形量要大于圓形斷面，因此會更早斷裂，伸長率降低[10]。由此可知，樣坯厚度處于臨界狀態(tài)時，圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣的伸長率要高于弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣。

圖3 不同試樣形狀的伸長率Fig.3 Elongation of different sample shapes

2.2 試樣尺寸對力學(xué)性能的影響

試驗溫度23℃，考察同批次不同試樣尺寸對型材力學(xué)性能的影響。圖4為不同試樣尺寸的力學(xué)性能指標(biāo)。由圖4可以看出，試樣的抗拉強度與規(guī)定塑性延伸強度具有相同的波動趨勢，但數(shù)值波動不明顯，說明兩種尺寸的試樣力學(xué)性能均非常穩(wěn)定。相比之下，大板的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度要略高于小板，這可能與6060-T6本身性能有關(guān)，6060-T6合金強度較低，在機械加工時可能會發(fā)生退火現(xiàn)象，小板的橫截面積小，發(fā)生退火現(xiàn)象比較明顯，從而其強度略有降低[11]。因此，樣坯長度處于臨界狀態(tài)時，不同試樣尺寸的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度是有差異的。圖5為不同試樣尺寸的伸長率。

圖4 不同試樣尺寸的力學(xué)性能指標(biāo)Fig.4 Mechanical properties of different sample sizes

圖5 不同試樣尺寸的伸長率Fig.5 Elongation of different sample sizes

由圖5可以看出，大板的伸長率比較穩(wěn)定，小板數(shù)值波動較大且偏低。這可能與試樣平行段長度有關(guān)。拉伸過程中變形主要集中在平行段，由均勻伸長△LB和縮頸處的集中伸長△LA組成，無論是△LB還是△LA，大板所占的比例均相對高于小板[12]。且小板的橫截面積小，斷口處無法完全重合，對斷后伸長率的測量存在較大誤差，故波動較大[13]。由此可知，樣坯尺寸處于臨界狀態(tài)時，大板的伸長率較穩(wěn)定、準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)論

本文以6060-T6合金為代表，研究了臨界狀態(tài)下試樣形狀與尺寸對鋁合金力學(xué)性能的影響。試樣結(jié)果表明，樣坯厚度處于臨界狀態(tài)時，弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度高于圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，但伸長率較低；樣坯長度處于臨界狀態(tài)時，大板的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度高于小板，且測量的大板伸長率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度均較高。由此我們可以推斷出試樣形狀或尺寸的不同，其力學(xué)性能檢測結(jié)果也會有一定差異，這種差異可能會造成不合格產(chǎn)品的達(dá)標(biāo)，給企業(yè)造成不可挽回的損失，嚴(yán)重限制企業(yè)發(fā)展。因此，在樣坯處于臨界狀態(tài)時，試樣的選取必須引起企業(yè)的重視。