V含量對6005A鋁合金準靜態(tài)壓縮性能影響

祝 哮，李 偉，劉偉南，曹 帥，吳金鳳，馮 梟

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6005A鋁合金由于其優(yōu)異的性能，已經(jīng)在地鐵、輕軌、高鐵等軌道交通列車上得到廣泛應用[1,2]。在交通產(chǎn)品上應用的鋁合金型材經(jīng)常需要承受一定的沖擊載荷，因此鋁合金受到碰撞沖擊時的吸能性能備受關注[3,4]。近年來，研究人員對鋁合金材料的力學行為等進行了大量的實驗與分析，但是對鋁合金準靜態(tài)壓縮性能的研究卻鮮有報道[5]。V元素是鋁合金中常見的合金元素之一，它對鋁合金的組織與性能均有一定影響[6]，東北大學王向杰等人研究了V元素對5xxx系鋁合金板材的影響，發(fā)現(xiàn)V能夠抑制再結晶過程中的晶粒長大，改善合金的性能[7]。

為提升6005A鋁合金型材的吸能性能，擴大在交通產(chǎn)品上的應用范圍,本文在實驗的基礎上分析了V元素對6005A鋁合金組織和準靜態(tài)壓縮性能的影響。

1 試驗方法

1.1 材料制備

采用半連續(xù)鑄造方法制備4根Φ254mm鋁合金鑄錠，合金中V元素的含量(質(zhì)量分數(shù))分別為0%、0.1%、0.2%、0.3%。6005A成分(質(zhì)量分數(shù)，%)參照GB/T 3190-2008為，Si 0.5～0.9，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.3，Mn 0.5，Mg 0.4～0.7，Cr 0.3，Zn 0.2，Ti 0.1。

鑄錠經(jīng)均勻化處理后在線擠壓淬火，擠制的型材斷面為長170mm、寬55mm的矩形，型材壁厚3mm，具體擠壓工藝為，鑄錠溫度480℃～520℃，擠壓速度2.6m/min～3.0m/min，擠壓筒溫度450℃～490℃，模具溫度460℃～480℃，淬火方式為水冷。直接從型材上截取長度為300mm的試樣，在箱式電阻爐中進行200℃×4h人工時效處理，對時效后的擠壓材進行組織與性能檢測。

1.2 性能測試

在AG-X100KN型電子萬能試驗機上進行室溫力學性能測試；使用AX10型光學顯微鏡(OM)進行光學顯微組織及晶粒度觀察。準靜態(tài)壓縮試驗在微機控制的液壓機上進行，設備的下端平面固定不動，上端進行運動。對300mm的試樣進行壓縮試驗，下壓速度為100mm/min，每種成分下進行3次試驗，選取重復性最好的結果進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 V含量對組織的影響

圖1為不同V含量合金經(jīng)擠壓后的晶粒度?？梢钥闯?，在未加V元素時，型材存在厚度約50μm的粗晶層，當加入V元素后，幾乎無粗晶層。型材產(chǎn)生粗晶的原因主要是發(fā)生了再結晶，擠壓過程中晶粒破碎，內(nèi)能升高，導致再結晶溫度降低，6005A中含有部分Mn、Cr元素，能夠提高再結晶溫度，但是合金中的元素含量較低，所以在不含V時仍存在粗晶層，但是厚度較?。辉诩尤肓薞元素后幾乎沒有粗晶層是因為V元素有一定細化再結晶晶粒的作用，所以加入V元素后觀察不到粗晶層。

圖2為不同V含量合金的顯微組織圖。加入V元素后，細小的析出相數(shù)量明顯增多，研究表明[8]V元素的加入一方面會在合金中形成Al3V強化相，另一方面V元素會降低Mn、Fe等元素在合金中的固溶度，所以析出相的數(shù)量有所增加。當V含量達到0.3%時，合金中出現(xiàn)了大尺寸的不規(guī)則析出相，分析可能因為V元素過多導致含V析出相發(fā)生聚集，破壞了組織的均勻性，對合金性能可能造成不利影響。

2.2 V含量對合金力學性能的影響

不同V含量合金的拉伸性能如圖3所示。加入V元素后力學性能有所提升，隨著V含量的增加，合金強度先升高后降低，在0.2%時合金強度最大，此時抗拉強度為311MPa，屈服強度為285MPa。力學性能提升主要因為加入V元素后強化相的數(shù)量明顯增加，當V為0.3%時出現(xiàn)下降是因為出現(xiàn)了粗大析出相，大尺寸析出相的變形能力較差，拉伸過程中容易發(fā)生破裂，導致強度下降。

2.3 V含量對合金準靜態(tài)壓縮性能的影響

圖4為不同V含量合金經(jīng)準靜態(tài)壓縮試驗后的實物圖?？梢杂^察到在V含量為0.2%時出現(xiàn)細微裂紋，V含量為0.3%時出現(xiàn)長度為10mm左右的裂紋(圖4(c)(d)紅圈處)。V含量較小時無裂紋出現(xiàn)，分析可能因為V含量為0.2%時合金的強度較大，塑性、韌性降低，在壓縮過程中由于褶皺處變形量較大，導致開裂；V含量為0.3%時合金組織不均勻性增加，變形不均勻，容易產(chǎn)生裂紋源。

圖5為準靜態(tài)壓縮的載荷位移曲線、均值載荷位移曲線和吸能位移曲線圖。不同V含量下合金的變形方式幾乎均為金剛石模式[9]。由圖5(a)可以看出開始試驗時，試樣承受載荷迅速增加，由彈性階段進入塑性階段，進入塑性階段后某一位置開始失穩(wěn)變形，達到峰值載荷后開始下降，經(jīng)過一段位移之后下降至最低點，此時第一個褶皺形成完畢，繼續(xù)下壓，未變形區(qū)開始變形，形成下一個褶皺。圖5(b)是針對第一峰值的載荷位移曲線，可以看出當V含量為0.2%時，合金所能承受的載荷最大，此時載荷為179.36kN。

根據(jù)準靜態(tài)壓縮的載荷-位移曲線，通過公式(1)、(2)計算得出試樣在試驗過程中的均值載荷(Fm)和吸收功(U)，公式如下[10]：

(1)

(2)

式中，S為試驗過程中試樣的瞬時位移。圖5(c)(d)是計算后的均值載荷位移曲線和吸能位移曲線圖。由圖可知，合金中加入V元素后，合金的均值載荷、吸能性能均增加，在V含量為0.2%時吸能性能最強，壓縮結束時的吸收功達14007J，相較與未加V含量的合金提高了33.6%。分析原因是V元素加入后，合金的強度增大，所能承受的載荷增大，導致合金的吸能性能顯著提高。

3 結論

本文分析了V含量對6005A鋁合金組織與準靜態(tài)壓縮性能的影響，在本文范圍內(nèi)得到的主要結論如下：

(1) V元素具有細化再結晶晶粒的作用，含有V元素的鋁合金幾乎觀察不到粗晶層，合金中的析出相數(shù)量明顯增加，當V含量為0.3%時出現(xiàn)大尺寸析出相；

(2) V元素能夠提高合金的強度和準靜態(tài)壓縮時承受的最大載荷，在0.2%時承受的載荷最大；

(3) 合金的吸能性能隨V含量的增加而升高，V含量為0.2%時的吸收功比未加V的合金提高了33.6%。