6005A鋁合金型材擠壓焊縫力學(xué)性能與顯微組織研究

張海軍 曹春鵬 單清群 呂衛(wèi)群

摘要：通過(guò)測(cè)試6005A鋁合金型材的力學(xué)性能以及觀察擠壓焊縫與母材的顯微組織，判斷鋁合金型材的薄弱位置，研究薄弱位置力學(xué)性能與顯微組織的差異及其產(chǎn)生原因。結(jié)果表明：擠壓焊縫與母材顯微組織均為Mg2Si，均勻分布于鋁基體中，但擠壓焊縫處Mg2Si更粗大，分布更雜亂。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒，平均晶粒尺寸為15.5 μm。在熱擠壓過(guò)程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時(shí)的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。6005A鋁合金型材硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW且出現(xiàn)在擠壓焊縫處。取樣位置6斷后伸長(zhǎng)率最?。?.5%），判斷取樣位置6為該型材最薄弱位置。

關(guān)鍵詞：6005A;擠壓焊縫;力學(xué)性能;顯微組織;EBSD

中圖分類(lèi)號(hào)：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）07-0037-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.07

0? ? 前言

鋁合金因其質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、外觀平整度好、材料可重復(fù)再利用等特點(diǎn)受到全球各國(guó)鐵道運(yùn)輸部門(mén)和城市交通運(yùn)輸部門(mén)的重視[1]。高性能鋁合金材料在高速鐵路車(chē)輛制造上具有不可替代性，因此鋁合金車(chē)體在全球范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展[2]。6005A鋁合金因其密度低、力學(xué)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于高速列車(chē)車(chē)體主要結(jié)構(gòu)件。但鋁合金在擠壓過(guò)程中會(huì)造成型材擠壓焊縫處的組織結(jié)構(gòu)改變和力學(xué)性能差異[3-4]，型材構(gòu)件的不均勻性對(duì)列車(chē)的服役壽命和運(yùn)行安全有著重要影響。因此，研究6005A鋁合金型材不同部位的力學(xué)性能和微觀組織差異，成為評(píng)價(jià)鋁合金型材服役性能的關(guān)鍵[5-7]。文中對(duì)鋁合金型材整體進(jìn)行硬度測(cè)試，選取關(guān)鍵位置進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，判斷鋁合金型材的薄弱位置，并觀察薄弱位置微觀組織，研究薄弱位置力學(xué)性能與顯微組織的差異及其產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

高速列車(chē)用鋁合金型材 6005A 為 Al-Mg-Si 系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，供貨狀態(tài)為T(mén)6，化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)選取型材如圖1所示。文中選取兩個(gè)型材作為平行樣進(jìn)行試驗(yàn)。

硬度試驗(yàn)采用HB-3000C電子布氏硬度計(jì)，每隔8 mm選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)載荷為1 000 kgf，加載時(shí)間為8 s，載荷持續(xù)時(shí)間為10 s，拉伸試驗(yàn)拉伸速率選取5 mm/min，得到屈服強(qiáng)度Rm、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長(zhǎng)率A。根據(jù)《GB/T 16865-2013變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取樣位置及拉伸試樣尺寸如圖1所示，剩余試樣尺寸依照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工。

對(duì)金相試樣進(jìn)行機(jī)械拋光后，利用高氯酸酒精溶液（高氯酸：無(wú)水乙醇=1∶9）進(jìn)行電解拋光，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行電子背散射衍射（EBSD）觀察晶粒尺寸及形狀。

2 結(jié)果與討論

母材和擠壓焊縫的顯微組織分別如圖2、圖3所示，放大倍數(shù)分別為200倍和500倍。對(duì)比圖2、圖3可知，母材和擠壓焊縫組織均勻，均未出現(xiàn)組織過(guò)燒。擠壓焊縫區(qū)域擠壓時(shí)阻力較大，應(yīng)力多在此集中，該處金屬的晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，成為局部高自由能區(qū)，在隨后的再結(jié)晶過(guò)程中優(yōu)先形核，為了降低界面能處于穩(wěn)定態(tài)，此處晶粒不僅異常長(zhǎng)大，而且Mg2Si陽(yáng)極相優(yōu)先析出[8]。圖中黑點(diǎn)為Mg2Si，是鋁合金的強(qiáng)化相，母材中Mg2Si較擠壓焊縫處分布更均勻、尺寸更細(xì)小。6005A中微量元素Cu、Cr、Mn （Cr以Al7Cr的形式存在，Mn以Al6Mn的形式存在）可以抑制熱擠壓過(guò)程中的再結(jié)晶，使得彌散相Al7Cr和Al6Mn強(qiáng)化鋁合金基體。

為進(jìn)一步觀察擠壓焊縫處晶粒取向與尺寸分布，對(duì)擠壓焊縫取樣進(jìn)行EBSD分析。圖4為擠壓焊縫EBSD結(jié)果，圖中白線(xiàn)為小角度晶界（2°～10°），黑線(xiàn)為大角度晶界（>10°）。圖5為擠壓焊縫晶粒尺寸分布。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒。鋁合金層錯(cuò)能高，在熱擠壓過(guò)程發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)，使晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量亞晶界;同時(shí)，在熱擠壓過(guò)程中還發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在條狀晶粒兩側(cè)形成大量的細(xì)小等軸晶粒。由圖5可知，擠壓焊縫處存在較多的細(xì)小晶粒，直徑小于20 μm的比例達(dá)到73.21%，尺寸越大的晶粒比例越小，最大晶粒直徑為156.78 μm，僅占0.14%，總體平均晶粒尺寸為15.5 μm。雖然在擠壓焊縫處顯微組織出現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，但是在熱擠壓過(guò)程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時(shí)的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋使材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。

6005A鋁合金型材整體硬度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。第一批試樣硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW，最大值為95.9 HBW;第二批試樣硬度平均值為89.434 HBW，最小值為82.4 HBW，最大值為95.9 HBW。而《TB/T3260.4-2011動(dòng)車(chē)組用鋁及鋁合金：型材》中3.5節(jié)表2參考值為85 HBW。兩批試樣總體平均硬度均大于85 HBW，較低的硬度曲線(xiàn)波谷均出現(xiàn)在7個(gè)取樣位置，取樣位置均在擠壓焊縫處，硬度值相對(duì)其他位置較低，對(duì)比兩批試樣硬度最小值部位發(fā)現(xiàn)，硬度最小值均出現(xiàn)在型材擠壓焊縫處。通過(guò)硬度試驗(yàn)結(jié)果初步判定焊縫擠壓處為鋁合金型材的薄弱位置。這與母材中Mg2Si較擠壓焊縫處分布更均勻、尺寸更細(xì)小相符合。

對(duì)稱(chēng)取樣選取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。部分拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與試樣斷裂宏觀形貌如圖7、圖8所示，縱向平行于擠壓方向，橫向垂直于擠壓方向，由于該截面拉伸試驗(yàn)是與其他型材同時(shí)進(jìn)行并分析的，該截面取樣位置1～7實(shí)際分別對(duì)應(yīng)16～22，分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)得到拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。取樣位置1、2的厚度5 mm

對(duì)金相試樣進(jìn)行磨拋處理后，采用科勒試劑腐蝕試樣，在蔡司顯微鏡下觀察顯微組織。取樣位置6的宏觀圖片如圖11所示，圖11中的灰線(xiàn)為擠壓焊縫。

3 結(jié)論

鋁合金型材的力學(xué)性能取決于微觀組織，而微觀組織又受擠壓過(guò)程中熱作用的影響。通過(guò)對(duì)鋁合金型材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和微觀組織觀察，得出以下結(jié)論：

（1）擠壓焊縫與母材顯微組織均為Mg2Si且均勻分布于鋁基體中，但擠壓焊縫處Mg2Si更粗大，分布更雜亂。擠壓焊縫處晶粒形狀主要為條狀晶粒及細(xì)小的等軸晶粒，平均晶粒尺寸為15.5 μm。

（2）在熱擠壓過(guò)程中，擠壓焊縫處晶粒尺寸的不均勻性增大，晶粒間在變形時(shí)的協(xié)調(diào)性變差，在拉伸過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋使材料強(qiáng)度降低，成為鋁合金型材的薄弱位置。

（3）鋁合金型材硬度平均值為88.176 HBW，最小值為81.7 HBW，最大值為95.9 HBW，且最小值出現(xiàn)在擠壓焊縫處。鋁合金型材中取樣位置6斷后伸長(zhǎng)率最小，為4.5%，低于標(biāo)準(zhǔn);取樣位置5非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和屈服強(qiáng)度最小，分別為199.07 MPa和256.74 MPa，大于標(biāo)準(zhǔn)要求最低值。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，取樣位置6為該鋁合金型材薄弱位置。

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