不同曲率半徑的缺口對6xxx系鋁合金力學(xué)性能的影響

張 冰，韓 超，馬魁一，李朔東，倪 蕙

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金因?yàn)橛斜葟?qiáng)度高、密度小、焊接性良好、耐腐蝕性好等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、飛機(jī)船舶、建筑等領(lǐng)域[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中6063鋁合金和6005A鋁合金是應(yīng)用較廣泛的6xxx系鋁合金，這是因?yàn)樗鼈冇兴苄院?、價格低、熱導(dǎo)率高、導(dǎo)電性好、力學(xué)性能好等優(yōu)勢[2，3]。眾所周知，缺口的存在會影響金屬材料的彈性變形、塑性變形、斷裂過程，進(jìn)而會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中、應(yīng)力狀態(tài)改變、缺口強(qiáng)化等現(xiàn)象[4]。但在實(shí)際理化檢驗(yàn)工作中，缺口試驗(yàn)大多被應(yīng)用于鋼鐵或復(fù)合材料[5，6]等領(lǐng)域，而很少被應(yīng)用于鋁合金領(lǐng)域。通過查閱參考文獻(xiàn)可知缺口效應(yīng)一般都會加強(qiáng)塑性材料的力學(xué)性能，而力學(xué)性能對于鋁合金產(chǎn)品的研發(fā)是十分重要的，因此對鋁合金做缺口試驗(yàn)迫在眉睫。缺口試樣的制備對缺口試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度影響很大，特別是缺口的曲率半徑起到關(guān)鍵作用，而缺口效應(yīng)對塑性金屬材料的影響主要分為兩個方面：1)對力學(xué)拉伸性能的影響；2)對斷口處斷裂形貌的影響。因此，本次試驗(yàn)擬通過對不同曲率半徑6xxx系鋁合金缺口試樣進(jìn)行力學(xué)拉伸性能試驗(yàn)和金相組織試驗(yàn)，得出不同曲率半徑缺口對試樣的力學(xué)拉伸性能、斷裂機(jī)制和缺口敏感性的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

試驗(yàn)材料為同批號2.5mm厚度的6005A-T6鋁合金和同批號2.5mm厚度的6063-T6鋁合金，其化學(xué)成分見表1。

表1 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

拉伸試樣缺口的曲率半徑共分為六種，拉伸試樣尺寸詳見圖1。每種類型缺口需制備3個試樣，試樣均沿板材的擠壓方向取料，缺口角度均為60 °。拉伸樣品制備時，確保缺口均位于拉伸試樣平行段中間位置。

圖1 拉伸試樣尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 拉伸性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為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》，拉伸速度設(shè)置為1mm/min，原始標(biāo)距為35mm。試驗(yàn)設(shè)備為日本島津公司生產(chǎn)的電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

本次試驗(yàn)6005A-T6鋁合金拉伸性能結(jié)果及其敏感系數(shù)qt實(shí)測值見表2。本次試驗(yàn)6063-T6鋁合金拉伸性能結(jié)果及其敏感系數(shù)qt實(shí)測值見表3。

表2 6005A-T6拉伸性能及敏感系數(shù)qt結(jié)果

表3 6063-T6拉伸性能及敏感系數(shù)qt結(jié)果

1.2.2 微觀組織試驗(yàn)

每種類型缺口需制備1個金相試樣進(jìn)行斷口形貌分析。試驗(yàn)設(shè)備為日本島津公司生產(chǎn)的掃描電鏡試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拉伸性能的結(jié)果與分析

圖2是6005A-T6的拉伸性能及敏感系數(shù)與缺口曲率半徑的關(guān)系。從圖2(a)可知，(1)有缺口試樣的屈服強(qiáng)度比無缺口試樣的屈服強(qiáng)度高，即缺口的存在會提高6xxx系鋁合金的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)槿笨诘拇嬖诟淖兞嗽嚇拥氖芰l件，即缺口的存在會造成應(yīng)力應(yīng)變的集中，使塑性材料得到強(qiáng)化，這是因?yàn)樵嚇虞S向拉伸變形主要集中在截面積最小位置，其他區(qū)域的拉伸變形較小。在拉伸過程中，缺口邊緣周圍的材料會率先到達(dá)較高的應(yīng)力水平，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時，缺口根部區(qū)域會發(fā)生較大塑性變形，提高鋁合金的強(qiáng)度, 但缺口的存在改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使所受應(yīng)力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶?。此外，缺口的存在會使試樣平行段截面積變小，即垂直于拉伸力方向可供塑性變形的比例減小，導(dǎo)致試樣在垂直于受力方向的塑性變形比無缺口試樣小許多，從而呈現(xiàn)鋁合金塑性降低的現(xiàn)象, 因此缺口效應(yīng)會使鋁合金得到強(qiáng)化，塑性下降。(2)缺口試樣的屈服強(qiáng)度均集中在280MPa～284MPa。隨著缺口曲率半徑的改變，屈服強(qiáng)度變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣屈服強(qiáng)度的提高程度影響較小。

從圖2(b)可知，有無缺口試樣的抗拉強(qiáng)度相差較小。缺口試樣的抗拉強(qiáng)度均集中在303MPa～306MPa。由抗拉強(qiáng)度計算得出的缺口敏感系數(shù)qt均為0.97，如圖2(d)所示，敏感系數(shù)曲線呈一條直線，這說明縱向取樣時，曲率半徑為0.25mm～2.00mm的缺口呈現(xiàn)不敏感狀態(tài)。綜上兩點(diǎn)所述，說明缺口曲率半徑對試樣抗拉強(qiáng)度影響較小。從圖2(c)可知，缺口試樣伸長率均在4%～6%。隨著缺口曲率半徑的改變，斷后伸長率變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的斷后伸長率影響較小。無缺口試樣伸長率平均值為15.12%，綜上可知，缺口的存在會導(dǎo)致斷后伸長率下降，但伸長率的變化與缺口曲率半徑?jīng)]有關(guān)系。這是因?yàn)樵嚇幼畋∪醪糠殖霈F(xiàn)在缺口處，在拉伸過程中，應(yīng)力主要集中在缺口處，金屬材料達(dá)到屈服后，缺口試樣的塑性變形明顯小于無缺口試樣，即強(qiáng)化效應(yīng)約束了缺口處塑性變形。

圖2 6005A-T6的拉伸性能及敏感系數(shù)與缺口曲率半徑的關(guān)系

圖3是6063-T6的拉伸性能及敏感系數(shù)與缺口的曲率半徑的關(guān)系。從圖3(a)可知，(1)有缺口試樣的屈服強(qiáng)度比無缺口試樣的屈服強(qiáng)度高，這是由于缺口的存在改變了試樣的受力條件，引起了“缺口強(qiáng)化”現(xiàn)象，其原因與6005A-T6強(qiáng)化效應(yīng)的形成原因相同。(2)缺口試樣的屈服強(qiáng)度均集中在229MPa～238MPa。隨著缺口曲率半徑的改變，屈服強(qiáng)度變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的屈服強(qiáng)度影響較小。從圖3(b)可知，有無缺口試樣的抗拉強(qiáng)度相差較小。缺口試樣的抗拉強(qiáng)度均集中在241MPa～249MPa之間。隨著缺口曲率半徑的改變，抗拉強(qiáng)度變化不明顯。由抗拉強(qiáng)度計算得出缺口敏感系數(shù)qt均接近于1，如圖3(d)所示。這說明縱向取樣時，曲率半徑在0.25mm～2.00mm之間的缺口呈現(xiàn)不敏感狀態(tài)。綜上兩點(diǎn)說明曲率半徑對缺口試樣的抗拉強(qiáng)度影響較小。從圖3(c)可知，缺口試樣伸長率均在6%～7%之間。隨著缺口曲率半徑的改變，斷后伸長率變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的斷后伸長率影響較小。無缺口試樣伸長率平均值為15.56%，與有缺口試樣伸長率相比差值較大。其原因與6005A-T6伸長率特征的形成原因相同。

圖3 6063-T6的拉伸性能及敏感系數(shù)與缺口曲率半徑的關(guān)系

6005A-T6拉伸試樣斷裂位置見圖4，6063-T6拉伸試樣斷裂位置見圖5。從圖4和圖5可知，(1)缺口試樣斷裂位置均為缺口處，這是因?yàn)槿笨谔幨窃嚇拥淖钚艚孛嫖恢?。隨著載荷的不斷增加，試樣最小凈截面損傷總量和損傷區(qū)域不斷累加，最終貫穿整個截面，導(dǎo)致試樣斷裂。(2)所有缺口試樣的頸縮現(xiàn)象均不明顯。據(jù)張文泉[4]等研究，缺口不同截面處塑性變形不均勻，缺口截面處的強(qiáng)化效應(yīng)約束了塑性變形，其在一定程度上減弱了拉伸試驗(yàn)中的頸縮現(xiàn)象。因此需要借助微觀組織分析斷口處是韌性斷裂還是脆性斷裂。

圖4 6005A-T6拉伸試樣斷裂位置

圖5 6063-T6拉伸試樣斷裂位置

2.2 微觀組織結(jié)果及分析

圖6是6005A-T6拉伸斷口形貌，圖7是6063-T6拉伸斷口形貌。從圖6和圖7可知，所有6005A-T6試樣和所有6063-T6試樣都是韌性斷裂。原因有兩點(diǎn)，(1)斷口處都有大小不一的韌窩出現(xiàn)；(2)韌窩大而深，這說明塑性變形充分，拉伸試樣的韌性非常好。前文中的拉伸性能數(shù)值也可證明拉伸試樣的塑性好。

圖6 6005A-T6拉伸試樣斷口形貌

圖7 6063-T6拉伸試樣斷口形貌

3 結(jié)論

(1)由于缺口強(qiáng)化效應(yīng)，6xxx系鋁合金缺口試樣的屈服強(qiáng)度比無缺口試樣的屈服強(qiáng)度高。6xxx系鋁合金缺口曲率半徑對拉伸性能影響較小，其缺口敏感系數(shù)qt均接近于1，這說明沿縱向取樣時，曲率半徑在0.25mm～2.00mm之間的缺口呈現(xiàn)不敏感狀態(tài)。缺口的存在會起到強(qiáng)化鋁合金作用，但也會降低材料的塑性和伸長率。

(2)6xxx系鋁合金的缺口試樣均會在缺口處斷裂，其斷口形貌均為韌性斷裂。