不同溫度下6005A-T4組織和力學(xué)研究

李秋梅，董劉穎，李有功，段英冶，苗承義

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金與鋼相比，具有導(dǎo)電性、耐腐蝕性、延展性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑結(jié)構(gòu)、國(guó)防軍工及家用電器中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-4]。目前，更多研究者對(duì)鋁合金室溫力學(xué)的性能行為研究較為深入，形成了比較完善的理論。但在高低溫兩種條件下，鋁合金材料表現(xiàn)出不同的性能。相比于鋼材低溫下容易脆斷的缺點(diǎn)，鋁合金在低溫條件下卻具有強(qiáng)度提高和韌性改善的優(yōu)點(diǎn)[5，6]。鋁合金的使用環(huán)境不僅僅在室溫，如航天航空低溫貯箱和家用制冷電器用鋁材都在低溫工作，一些特殊工業(yè)領(lǐng)域、飛機(jī)和艦船等的某些零部件和結(jié)構(gòu)件的使用溫度為-120℃～100℃[7,8]；而在高溫條件下，鋁合金的防火性能卻不及鋼材，隨著溫度的升高，鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量下降明顯[9]。因此，為推廣鋁合金材料在極端條件下的應(yīng)用以及在極端條件下對(duì)材料性能產(chǎn)生的利弊，有必要深入研究鋁合金在高低溫條件下的力學(xué)性能變化情況。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用材料為6005A-T4鋁合金型材，其合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.65～0.75，F(xiàn)e 0.20，Cu 0.20，Mn 0.30，Mg 0.45～0.65，Cr 0.20，Ti 0.10，Zn 0.10。采用Axio Imager.M2m型金相顯微鏡觀察組織形貌；在日本島津AG-X100KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-40℃、-20℃、20℃、100℃、200℃、300℃下力學(xué)性能測(cè)試；使用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌。

對(duì)于低溫試驗(yàn)，按照規(guī)范GB/T13239-2006的要求，低溫力學(xué)規(guī)定時(shí)間范圍為-196℃～10℃；對(duì)于高溫試驗(yàn)，按照規(guī)范GB/T228.2-2015的要求，高溫力學(xué)規(guī)定時(shí)間范圍為大于35℃。拉伸試驗(yàn)是將板片拉伸試樣夾具放入高低溫箱中，低溫采用液氮冷卻，高溫試驗(yàn)直接加熱，控溫儀控溫；將試樣預(yù)先放置到試驗(yàn)機(jī)夾具上，待達(dá)到預(yù)設(shè)方案溫度后，保溫10min后立即開(kāi)始拉伸試驗(yàn)，每個(gè)溫度下，取3個(gè)試樣的平均值為測(cè)量結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為不同溫度下的6005A鋁合金型材的顯微組織形貌。從圖中可以看出，型材組織中均存在灰色和黑色的析出相，圖1(a)～圖1(e)中，在拉伸實(shí)驗(yàn)短暫的加熱保溫過(guò)程中，微觀組織結(jié)構(gòu)難以發(fā)生顯著的變化，組織形貌變化較小；圖1(f)中，黑色和灰色析出相長(zhǎng)大，同時(shí)黑色析出相增多，析出相的聚集長(zhǎng)大會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生不利影響。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

2.2 力學(xué)性能

6005A鋁合金型材在-40℃～300℃之間不同溫度拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能結(jié)果，如圖2所示。在-40℃～300℃之間，型材的抗拉強(qiáng)度隨著溫度升高先升高后降低，屈服強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。在高溫階段，溫度越高，型材性能損失的越嚴(yán)重。當(dāng)溫度為-20℃，型材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。在-40℃～100℃之間，型材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低的較少，直至溫度升高到200℃時(shí)，型材強(qiáng)度出現(xiàn)急速下降趨勢(shì)；當(dāng)溫度達(dá)300℃時(shí)，型材強(qiáng)度降為最低，且屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相差較小，斷后伸長(zhǎng)率最低；其他溫度下型材的斷后伸長(zhǎng)率波動(dòng)較小。

圖2 力學(xué)性能

圖3為6005A-T4鋁合金型材不同溫度下拉伸斷口的掃描電鏡照片?？芍瑪嗫谡w是由晶內(nèi)韌窩和層狀沿晶斷口組成。拉伸試驗(yàn)溫度低于室溫時(shí)，晶內(nèi)韌窩尺寸較小，出現(xiàn)層狀沿晶斷口；隨著溫度升至100℃時(shí)，晶內(nèi)韌窩尺寸增大且較深；隨著溫度升至200℃時(shí)，沿晶斷裂面上存在許多凹坑，呈現(xiàn)微孔聚集斷裂的特征，隨著溫度升高凹坑變大，說(shuō)明塑性大幅度提高；當(dāng)拉伸試驗(yàn)溫度提高到300℃時(shí)，斷口中韌窩數(shù)量變少，型材的塑性降低。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

由于基體中分布大量擠壓破碎的第二相粒子，與基體界面結(jié)合力弱，在拉伸變形時(shí)位錯(cuò)在此塞積，開(kāi)裂后形成韌窩。拉伸試驗(yàn)溫度較低時(shí)，以沿晶開(kāi)裂為主，低溫條件下合金在斷裂前經(jīng)歷了更多的形變，除了韌窩數(shù)增多還在斷口中出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，這些原因都會(huì)導(dǎo)致合金強(qiáng)度的提高。同時(shí)在低溫條件下會(huì)使得合金裂紋生長(zhǎng)速率變慢，進(jìn)而讓斷裂的發(fā)生變得困難，合金在強(qiáng)度提高的同時(shí)伸長(zhǎng)率較室溫時(shí)還有所提升。拉伸試驗(yàn)溫度較高時(shí)，由于韌窩尺寸變大、數(shù)量變少使得合金性能大大降低。

2.3 機(jī)理分析

溫度較低時(shí)原子運(yùn)動(dòng)較弱，這時(shí)位錯(cuò)形成割階的阻力以及割階運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受阻力均增大，大部分位錯(cuò)被彌散分布的析出相釘扎在晶內(nèi)，因此形成了均勻的晶內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)，意味著短程阻力的增強(qiáng)。對(duì)于具有面心立方結(jié)構(gòu)的鋁合金來(lái)講，常溫條件下位錯(cuò)的阻礙作用不強(qiáng)；當(dāng)溫度降低時(shí)，點(diǎn)陣阻力增加，使得增大合金強(qiáng)度提高。由此可見(jiàn)，低溫條件下合金組織中的析出相與位錯(cuò)之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，而在室溫條件下大部分位錯(cuò)滑出晶粒在晶界處塞積，析出相與位錯(cuò)之間的交互作用不明顯。因此，隨著溫度的降低，流變阻力加大，導(dǎo)致金屬?gòu)?qiáng)度較室溫強(qiáng)度高，力學(xué)性能增強(qiáng)[10,11]。

隨著拉伸試驗(yàn)溫度升高，伴隨晶內(nèi)與晶界處時(shí)效強(qiáng)化相粗化、長(zhǎng)大，間距變寬，強(qiáng)度值降低[12]。鋁合金在高溫下的斷裂形式仍為韌性斷裂。原子熱振動(dòng)和擴(kuò)散速度都加快，位錯(cuò)就更容易發(fā)生滑移，不僅同一滑移面的異號(hào)位錯(cuò)發(fā)生合并消失，而且在不同滑移面上的位錯(cuò)更容易發(fā)生交滑移和攀移，異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，同號(hào)位錯(cuò)相互重組，可以顯著降低晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度，減小了合金內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，強(qiáng)度自然而然就會(huì)降低。

3 結(jié)論

(1)低溫情況下，在-40℃～20℃之間，型材力學(xué)性能變化較小，但低溫時(shí)強(qiáng)度均高于室溫(20℃)，斷后伸長(zhǎng)率變化較小。高溫情況下，在100℃～300℃之間，型材的力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度為300℃時(shí)型材的斷后伸長(zhǎng)率降低較多。

(2)低溫情況下，型材斷口韌窩數(shù)增多并出現(xiàn)了分層現(xiàn)象；高溫情況下，斷口中韌窩數(shù)量變少且出現(xiàn)空洞，強(qiáng)化相粗化、長(zhǎng)大。