外界因素對(duì)鋁合金拉伸性能檢測(cè)結(jié)果的影響及相應(yīng)措施

李文瀚，孫 堯

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111000）

0 前言

鋁合金憑借低密度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中[1-2]。如今，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)鋁合金構(gòu)件的需求日益增多，因此，鋁合金的力學(xué)性能也顯得至關(guān)重要。拉伸試驗(yàn)是獲取力學(xué)性能的主要途徑之一，鋁合金拉伸性能主要取決于化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、表面內(nèi)部缺陷等[3]，但在日常的拉伸試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)相同的合金及狀態(tài)在不同的拉伸環(huán)境中數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生偏差，可靠性大大降低。本文針對(duì)室溫條件下試樣制取、試樣形狀、試驗(yàn)速率、試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量工具、試驗(yàn)員操作等因素對(duì)拉伸性能檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行了分析并制定了相應(yīng)措施。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試樣材料分別為6060-T6鋁合金管材、型材，6005A-T6型材及6061-T6厚板型材，斷面圖分別為圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 管材斷面圖

圖2 型材斷面圖

圖3 型材斷面圖

圖4 棒材斷面圖

1.2 試樣加工

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865-2013，在圖1中的取樣位置1A處機(jī)械加工成圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，并利用車床在其表面加工出不同程度的加工痕，見圖5；在圖1中的取樣位置1A處分別加工成圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣和弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣；在圖2中的取樣位置1處機(jī)械加工成矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣；在圖3中的取樣位置5處機(jī)械加工成矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣；圖4中板材厚度的1/4和1/2處分別機(jī)械加工成圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣。

2 外界影響因素與相應(yīng)措施

2.1 試樣制取的影響

2.1.1 取樣

塑性材料進(jìn)行機(jī)械加工處理時(shí)，如果選用的刀具金屬材料比較軟，那么在切削的過程中塑性材料會(huì)對(duì)刀具造成擠壓，使其產(chǎn)生變形。若繼續(xù)使用變形的刀具加工，試樣表面會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題，并且碎粒量會(huì)增多，導(dǎo)致切削出現(xiàn)崩裂。為提高塑性材料表面加工質(zhì)量，應(yīng)合理地根據(jù)樣坯材料選取刀具，優(yōu)化機(jī)械加工條件，提高機(jī)床精度，避免刀具變形，有效減少積屑瘤的產(chǎn)生，從而改善塑性材料機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生的表面質(zhì)量問題，降低對(duì)拉伸性能的影響[4-5]。

試樣機(jī)械加工的過程中，進(jìn)給量、切削速度、磨削用量及砂輪粒度等因素均會(huì)導(dǎo)致表面加工硬化[6]，進(jìn)而影響試樣表面質(zhì)量。試樣表面凹凸不平的痕跡在拉伸過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成缺口，最終會(huì)影響到材料脆性的檢測(cè)結(jié)果[7]。通過加工手段在6060-T6合金圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣的表面加工出不同程度的加工痕，如圖5所示。表1為經(jīng)處理后的試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果（加工痕深度由淺至深）。

圖5 試樣加工痕

表1 不同加工痕的力學(xué)性能指標(biāo)

試樣1#為圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，表面質(zhì)量未經(jīng)破壞。由表1可知，隨加工痕跡的逐漸加深，試樣的力學(xué)性能指標(biāo)變化不明顯。當(dāng)破壞達(dá)到一定程度時(shí)，試樣迅速斷裂，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂性質(zhì)。這是由于在拉伸的過程中，加工的痕跡足以造成應(yīng)力集中缺口，隨著拉力的增加，材料局部抗拉強(qiáng)度不足以抵抗缺口處的集中應(yīng)力，從而逐漸形成裂紋，最終在缺口處斷裂。加工痕越深，局部抗拉強(qiáng)度越低，試樣斷裂得越快。因此，機(jī)械加工后的試樣要進(jìn)行研磨或拋光，盡量保留原軋制面，防止加工痕對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。為避免試樣制取時(shí)的加工硬化及熱影響，在機(jī)加工過程中應(yīng)充分使用冷卻液，通過適當(dāng)?shù)你姾湍ハ魇侄芜M(jìn)行加工。

除此之外，取樣方向、取樣位置均在不同程度上影響鋁合金拉伸性能的檢測(cè)結(jié)果。在圖3的取樣位置5處分別對(duì)平行軋制方向和垂直軋制方向進(jìn)行機(jī)械加工，取矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣。表2示出了取樣方向?qū)αW(xué)性能檢測(cè)結(jié)果的影響。由表2可知，平行軋制方向材料的力學(xué)性能較高，斷后伸長(zhǎng)率的差距尤為明顯。鋁合金在生產(chǎn)過程中受合金元素、熱處理?xiàng)l件及軋制制度等因素影響使其性能存在各向異性，導(dǎo)致不同取樣方向力學(xué)性能指標(biāo)存在明顯差異。因此，為避免產(chǎn)生性能差異，取樣時(shí)應(yīng)統(tǒng)一取樣方向，一般取平行軋制方向。

表2 不同取樣方向的力學(xué)性能指標(biāo)

在6061-T6合金板材厚度的1/4和1/2處取圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，表3為取樣位置對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)的影響。由表3可知，同一厚度處的試樣力學(xué)性能非常穩(wěn)定，而對(duì)比不同厚度的試樣性能存在明顯差異。板材厚度1/4處取樣的試樣力學(xué)性能要高于1/2處。這可能與鋁合金在加工過程中其化學(xué)成分、金相組織以及冶金缺陷等分布不均勻有關(guān)。澆鑄時(shí)由于流速不同，材料局部的化學(xué)成分和金相組織呈現(xiàn)出整體的不一致性；擠壓時(shí)由于模具口形狀的不同也會(huì)導(dǎo)致流速的不同，影響材料的致密度，從而影響材料的力學(xué)性能。在取樣時(shí)，必須注重試樣位置的選取，以保障檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和整體合格率。

表3 不同取樣位置的力學(xué)性能指標(biāo)

因此，在檢測(cè)工作中應(yīng)正視這些因素對(duì)力學(xué)性能數(shù)據(jù)的影響，優(yōu)化操作方案，以提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性[8]。

2.1.2 試樣尺寸

由于應(yīng)變速率與橫梁位移分離速率轉(zhuǎn)換公式為試樣平行長(zhǎng)度×設(shè)定的應(yīng)變速率，因此試樣平行長(zhǎng)度的精準(zhǔn)加工對(duì)橫梁位移分離速率有直接影響。同時(shí)，拉伸強(qiáng)度性能指標(biāo)與試樣的尺寸也存在必然聯(lián)系，以矩形試樣為例：

式中F為試驗(yàn)力，N；a0為試樣原始厚度，mm；b0為試樣加工實(shí)際寬度，mm；在強(qiáng)度性能指標(biāo)的計(jì)算中，a0、b0均為實(shí)際測(cè)量值，試樣尺寸公差對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)的影響可以忽略不計(jì)。但在實(shí)際試樣加工過程中，不可能保證試樣平行段寬度均一，這時(shí)形狀公差就會(huì)給拉伸性能檢測(cè)帶來影響。假設(shè)試樣寬度公差為Δ，則實(shí)際的強(qiáng)度性能指標(biāo)為：

因此，由形狀公差導(dǎo)致的誤差公式為：

由此可知，試樣的形狀公差對(duì)拉伸性能檢測(cè)有影響。在試樣的制備中，試樣的尺寸要嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)要求，形狀公差也應(yīng)符合相應(yīng)試驗(yàn)方法的規(guī)定[9]。

2.2 試樣形狀的影響

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6397-1986指出，一種試料或樣坯可以選取不同形狀的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[10]，但根據(jù)企業(yè)要求和實(shí)際生產(chǎn)情況，拉伸試樣只能選取一種形狀[11-12]。

在圖1的取樣位置1A處機(jī)械加工出圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣和弧形標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖6示出了這兩種不同試樣形狀的力學(xué)性能。由圖6可知，試樣的抗拉強(qiáng)度與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度具有相同的波動(dòng)趨勢(shì)，但數(shù)值波動(dòng)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(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度高于圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，這可能與試樣的厚度有關(guān)[13]。對(duì)樣坯進(jìn)行取樣時(shí)，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(duì)樣坯進(jìn)行機(jī)械加工，使其直徑小于原始厚度?；⌒螛?biāo)準(zhǔn)試樣與圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣的伸長(zhǎng)率相差較大，這是由金屬流動(dòng)的最小阻力定律決定的。在試樣變形過程中，變形體中的質(zhì)點(diǎn)具有沿不同方向流動(dòng)的趨勢(shì)，但最終將會(huì)沿著阻力最小的方向流動(dòng)[14]。對(duì)于非圓形斷面試樣，在其變形過程中，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，應(yīng)盡量使斷面的周界最小，最終趨于圓形斷面。拉伸過程中，當(dāng)延伸量相同時(shí)，非圓形斷面的棱角部位的變形量要大于圓形斷面，因此會(huì)更早斷裂，伸長(zhǎng)率降低。由此可知，試樣形狀直接影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)要慎重選取試樣形狀，以免造成不必要的損失。

圖6 不同試樣形狀的力學(xué)性能指標(biāo)

2.3 試驗(yàn)速率的影響

在金屬拉伸試驗(yàn)中，拉伸速率對(duì)材料性能檢測(cè)結(jié)果具有不可忽略的影響。理論認(rèn)為試驗(yàn)速率對(duì)拉伸性能有規(guī)律性影響，試驗(yàn)速率增加，強(qiáng)度性能指標(biāo)（如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等）趨向升高，延性性能指標(biāo)（如斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等）趨向降低，但影響程度隨試驗(yàn)材料的不同而不同；試驗(yàn)速率降低，其影響規(guī)律則反之[15]。但在日常鋁合金拉伸試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)并非完全如此[16]。

在圖2的取樣位置1處機(jī)械加工出矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖7示出了試驗(yàn)速率對(duì)力學(xué)性能數(shù)據(jù)的影響。速率分別為18 MPa/s、30 MPa/s、60 MPa/s、80 MPa/s。由圖7可知，拉伸速率的改變對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)影響較小，數(shù)值只產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)。為提高檢測(cè)效率，可適當(dāng)提高試驗(yàn)速率，但對(duì)于敏感性高的鋁材可通過自身試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定試驗(yàn)方案。由此可知，拉伸速率的選取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要，但性能增加或降低的程度取決于材料本身的性質(zhì)[17-18]。

圖7 不同試驗(yàn)速率的力學(xué)性能指標(biāo)

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量工具的影響

2.4.1 試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)

拉伸試驗(yàn)機(jī)是由測(cè)力儀、引伸計(jì)、計(jì)算機(jī)三部分組成。測(cè)力儀和引伸計(jì)的準(zhǔn)確度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大影響，一旦數(shù)據(jù)失真，會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成很大影響。因此，拉伸試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)、傳感器的選取等至關(guān)重要。應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16825.1-2008對(duì)試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)力儀應(yīng)放置在10℃～35℃室溫條件下，并且準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到1級(jí)或優(yōu)于1級(jí)[19]。引伸計(jì)的校準(zhǔn)應(yīng)滿足GB/T 12160-2002要求[20]。

2.4.2 設(shè)定試驗(yàn)力零點(diǎn)

為了確保夾持系統(tǒng)在重測(cè)時(shí)得到補(bǔ)償和保證夾持過程中產(chǎn)生的力不會(huì)影響力值的測(cè)定，在試驗(yàn)方法選取及數(shù)據(jù)輸入完畢后，設(shè)置試驗(yàn)力零點(diǎn)[21]。

2.4.3 測(cè)量工具校準(zhǔn)

試樣的橫截面積直接影響鋁合金的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，故試樣原始寬度和厚度的測(cè)量必須準(zhǔn)確。因此測(cè)量工具的高精確度至關(guān)重要，要經(jīng)相關(guān)部門校準(zhǔn)合格后方可使用，且不得超過校準(zhǔn)年限[22-23]。

2.5 試驗(yàn)員操作的影響

2.5.1 夾持方法

試樣夾持方法決定試驗(yàn)是否成功。試樣夾持端的形狀需適應(yīng)拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭。如果夾具使用不當(dāng)或者夾持方法不合理，易引起試樣打滑或在夾持部位斷裂，造成曲線異常，不僅使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差，還會(huì)對(duì)試驗(yàn)機(jī)造成不良影響。因此，要確保夾持的試樣受軸向拉力作用，即拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭或試樣軸線與力的作用線在同一軸線上，并且夾持部位應(yīng)在過渡弧之上[24-25]。

2.5.2 斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)定

斷后伸長(zhǎng)率是評(píng)定鋁合金力學(xué)性能不可或缺的指標(biāo)之一。為了準(zhǔn)確測(cè)出試樣斷裂后的標(biāo)距，試樣的斷裂部位應(yīng)仔細(xì)匹配，使其軸線處在同一直線上。對(duì)于斷裂部位與斷口表面形狀特殊的試樣，應(yīng)采取特別措施確保試樣斷裂部分適當(dāng)接觸，以便于測(cè)量試樣的斷后標(biāo)距。

2.5.3 試驗(yàn)人員

拉伸過程中，人為因素不可避免，例如試樣尺寸的測(cè)量、標(biāo)距的標(biāo)記、斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)量等，試驗(yàn)人員的主觀因素及操作水平均會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。為了降低試驗(yàn)誤差，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)員工的培訓(xùn)，提高員工專業(yè)素質(zhì)，反復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，求取平均值，但這種誤差是不可避免的[26]。

3 結(jié)論

（1）取樣時(shí)，必須注重試樣位置的選取，以保障檢測(cè)數(shù)據(jù)的整體合格率。為避免加工硬化、表面質(zhì)量等因素對(duì)試樣力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)或企業(yè)要求，在機(jī)械加工過程中充分使用冷卻液，通過適當(dāng)?shù)你姾湍ハ魇侄芜M(jìn)行加工。

（2）試樣形狀不同，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果會(huì)存在差異。應(yīng)遵循企業(yè)相關(guān)檢測(cè)要求，選取合適的試樣形狀，避免不合格產(chǎn)品因檢測(cè)方法不當(dāng)被誤判達(dá)標(biāo)。

（3）6005A-T6鋁合金擠壓型材隨拉伸速率的提高，強(qiáng)度性能指標(biāo)只產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果并沒有實(shí)質(zhì)性的影響。為提高檢測(cè)效率，可適當(dāng)提高試驗(yàn)速率，但對(duì)于敏感性高的鋁材可通過自身試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定試驗(yàn)方案。

（4）應(yīng)嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和儀器進(jìn)行校準(zhǔn)與檢定，加強(qiáng)試驗(yàn)人員的培訓(xùn)，提高專業(yè)素質(zhì)；在拉伸試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格遵循操作步驟，有效提高測(cè)量工具的精確度，降低試驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)可靠性。