淺談鋁型材室溫斷后伸長率的檢測

那熙君，李恩波，王 宇，張富亮

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

在金屬材料力學(xué)性能中，斷后伸長率是表征金屬材料塑性性能的重要指標(biāo)之一，其值越大，表示材料的塑性越好[1]。對靜載荷工作的機(jī)件，都要求材料具有一定的塑性，以防止機(jī)件偶然過載時，產(chǎn)生突然破壞。這是因為塑性變形有緩和應(yīng)力集中，消減應(yīng)力峰的作用。所以說金屬材料的塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)[2]。金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成。試樣拉伸至縮頸前的塑性變形是均勻塑性變形，縮頸后縮頸區(qū)的塑性變形是集中塑性變形[3]，拉伸試樣的變形主要集中于縮頸處，并向兩端逐漸減小[4]。使用同一臺拉伸機(jī)和相同的試驗參數(shù)，測量從同一批次，同一個型材，同一個取樣位置上切取的同一組樣坯，會發(fā)現(xiàn)所測量的強(qiáng)度指標(biāo)(規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)較精準(zhǔn)，且數(shù)據(jù)重復(fù)性較強(qiáng)。但所測得的斷后伸長率，數(shù)據(jù)重復(fù)性不好。本文以本公司生產(chǎn)的鋁型材為研究對象，總結(jié)分析了對鋁型材斷后伸長率影響較大的三個外在因素，分別為試樣加工形狀尺寸(包括平行段長度)，取樣方向，拉伸速率，并且對比人工測量與機(jī)器測量數(shù)據(jù)差異。注意這些因素對斷后伸長率的影響，對鋁型材延展性能的正確評估與判定具有十分重要的意義。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

選擇合金牌號為6082的鋁型材，人工時效T6狀態(tài)，型材斷面如圖1所示。6082鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 1.02，Mg 1.01，F(xiàn)e 0.12，Cu 0.03，Mn 0.62，Cr 0.01，Zn 0.01，Ti 0.03，Al 97.10，其余 0.03。

1.2 試樣加工方案

試樣加工依據(jù)GB/T 228.1-2010中，附錄D中規(guī)定[5]，拉伸試樣尺寸見圖2，取樣位置均在型材斷面圖中的2A處，矩形試樣采用寬度b0為12.5mm，圓形試樣直徑d0為10mm，矩形試樣的樣坯應(yīng)保持型材原始表面并在加工過程中不受損傷。尺寸公差為±0.05mm，形狀公差為±0.06mm。分別取以下4組試樣。

圖2 矩形和圓形試樣尺寸Fig. 2 Dimensions of rectangular and circular specimens

①縱向(平行于軋制方向)取樣。加工成平行長度均為70mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形試樣和標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣各5根，用來考察相同平行長度，不同試樣形狀對斷后伸長率的影響。同時利用本組試樣來考察人工測量與用機(jī)器測量斷后伸長率的數(shù)據(jù)差異。

②縱向取樣，加工成平行長度分別為50mm和60mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣各5根?？疾煸嚇蛹庸こ刹煌钠叫虚L度對斷后伸長率的影響。

③橫向(垂直于軋制方向)取樣，加工成平行長度為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣5根。考察取樣方向?qū)嗪笊扉L率的影響。

④縱向取樣，加工成平行長度為60mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣15根。改變第二階段應(yīng)變速率，考察速率對斷后伸長率的影響。

1.3 試驗設(shè)備

日本島津AG-X 100KN型電子萬能試驗機(jī)，力值測量準(zhǔn)確度為0.5級，引伸計(標(biāo)距為50mm)準(zhǔn)確度為0.5級。

1.4 試驗方案

①用千分尺(精確度為0.01)測量試樣的寬度厚度和直徑，取其平均值作為試驗數(shù)據(jù)。

②按照GB/T 228.1-20l0《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》采用應(yīng)力與應(yīng)變速率控制[5]。各組試樣，第一階段采用應(yīng)力控制，應(yīng)力速率均為18MPa/s；第二階段速率采用應(yīng)變控制，用第四組試樣考察速率對斷后伸長率的影響，第二階段速率分別為0.007/s，10/s，50/s，其余各組試樣第二階段速率為0.007/s。

③從試驗開始到結(jié)束全程使用引伸計。用引伸計測量斷后伸長率時，原則上，斷裂發(fā)生在引伸計標(biāo)距Le以內(nèi)方為有效，但斷后伸長率等于或大于規(guī)定值，不管斷裂位置處于何處測量均為有效[5]。

④試驗的所有試樣均需要打點刻劃標(biāo)距，人工測量斷后標(biāo)距時，應(yīng)將試樣的斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。若斷口有影響對接的碎屑，可以清除。對于緊密對接后仍有縫隙，這縫隙應(yīng)計入拉斷后的標(biāo)距內(nèi)。斷后標(biāo)距用游標(biāo)卡尺(精確度為0.02)測量。計算斷后伸長率A=(Lu-L0)/ L0；式中A為斷后伸長率，Lu為斷后標(biāo)距，L0為原始標(biāo)距。如果斷裂處與最接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離小于原始標(biāo)距的1/3時(即試樣發(fā)生在圖3所示的斷裂區(qū)域內(nèi)為無效區(qū))，或者發(fā)生在縮減截面內(nèi)打點或刻畫標(biāo)記處，所得的斷后伸長率值如果滿足了有關(guān)規(guī)定的最低要求，那么可以認(rèn)為所得數(shù)據(jù)有效，但需要注明斷裂位置；如果所得的斷后伸長率值低于標(biāo)準(zhǔn)要求，所得數(shù)據(jù)無效，需重新測試[5]。

圖3 試樣斷裂無效區(qū)Fig.3 Failure zone of specimen fracture

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 人工測量與用機(jī)器測量斷后伸長率的數(shù)據(jù)對比

人工測量時，由于事先畫好的標(biāo)距是套疊的，可以靈活的選擇斷裂處被包含在點和線中間。試驗結(jié)束時，若試樣沒有被拉斷，需要手動將試樣完全拉斷，再測量斷后伸長率。人工測量可以最大程度的測量出在試樣上發(fā)生的均勻塑性變形和試樣縮頸后縮頸區(qū)的集中塑性變形。用機(jī)器測量的斷后伸長率，與引伸計傳感器設(shè)置的靈敏度有關(guān)，即與試驗機(jī)判定拉伸試樣斷裂點參數(shù)設(shè)置有關(guān)。在試驗軟件中力值衰減到最大力值的30%時試驗機(jī)自動判定拉伸斷裂，此時有的試樣并沒有被完全拉斷，試驗機(jī)卻已經(jīng)停止試驗，在這種情況下，使用引伸計測量并沒有完全測量出發(fā)生在試樣上的形變量，因此所測的數(shù)值較低。利用引伸計系統(tǒng)自動測量只能測定其引伸計標(biāo)距范圍內(nèi)的形變量，由于斷裂位置具有隨機(jī)性，有的試樣斷裂在引伸計標(biāo)距之外，所測得的值就較小，此時所測得的值與試樣的真實斷后伸長率的值相差很大。本實驗選取了斷裂位置在引伸計標(biāo)距范圍之內(nèi)的數(shù)據(jù)。圖4和圖5是選取斷裂在引伸計標(biāo)距內(nèi)的一組圓形試樣和一組矩形試樣的測試結(jié)果，其中Ag是最大力塑性延伸率，Ajxy是機(jī)器測量修約后的伸長率，Arxy是人工測量修約后的伸長率。從圖中可以看出，樣坯無論被加工成矩形試樣還是加工成圓形試樣，用引伸計系統(tǒng)自動測量所得的斷后伸長率均低于人工測量的斷后伸長率。使用引伸計所測得兩種形狀試樣的最大力塑性延伸率Ag的值卻比較接近，波動不大。說明最大力塑性延伸率Ag，在一定程度上會反映出材料的塑性。斷裂位置不在引伸計標(biāo)距范圍之內(nèi)的斷后伸長率，人工測量值明顯比機(jī)器測量值要大，如表1所示。

表1 斷裂位置不在引伸計標(biāo)距范圍之內(nèi)的斷后伸長率Tab.1 Elongation after fracture where fracture position is not within extensometer fange

2.2 試樣加工形狀對斷后伸長率的影響

圖4、圖5分別是平行長度均為70mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形和標(biāo)準(zhǔn)矩形試樣試樣力學(xué)性能圖。加工形狀的不同，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)相差的并不太大。從圖中可以看出，無論是機(jī)器測量還是人工測量，圓形試樣的斷后伸長率要比矩形試樣的斷后伸長率略大。原因是由于試樣在拉伸過程中橫斷面上各部位金屬變形不均勻?qū)е碌?。試樣在拉伸過程中，對于圓形試樣來說，同一圓周上各部位金屬質(zhì)點的變形量和變形規(guī)律都是相同的。對于矩形試樣來說，棱角部位的變形量大，邊部中間處的變形量小，如果試樣在拉伸過程中能夠保持不斷裂，則拉伸的結(jié)果矩形斷面最終會逐漸變成圓形斷面。當(dāng)拉伸過程中的延伸量相同時，矩形斷面棱角部位金屬的變形量比圓形斷面的大，從而導(dǎo)致較早拉斷，伸長率降低[6]。

圖4 圓形試樣力學(xué)性能 圖5 矩形試樣力學(xué)性能Fig. 4 Mechanical properties of circular specimen Fig. 5 Mechanical properties of rectangular specimen

2.3 試樣加工尺寸(平行長度)對斷后伸長率的影響

圖6是平行長度分別為50mm、60mm、70mm的圓形試樣，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度指標(biāo)相差的不大。用人工測得的結(jié)果是，試樣平行長度越大，所測得的斷后伸長率越大。平行長度70mm的圓形試樣所測得的斷后伸長率>平行長度60mm的圓形試樣所測得的斷后伸長率>平行長度50mm的圓形試樣所測得的斷后伸長率。對于定標(biāo)距50mm而言，平行長度越大，所測得的斷后伸長率越大。這是因為，平行長度增加后，夾持部位對試樣中間的約束減小，使平行長度部分能夠充分的延伸。從整個試樣的伸長來看，由于被測試樣平行長度的加長，試樣整體的塑性變形部分的變形體積也會相應(yīng)增加。

圖6 不同平行長度力學(xué)性能Fig. 6 Mechanical properties of different parallel length

2.4 取樣方向?qū)嗪笊扉L率的影響

如圖7所示，縱向取樣的試樣(平行于軋制方向)，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度以及斷后伸長率均比橫向取樣的試樣(垂直于軋制方向)的數(shù)值大。這是因為，由于縱向方向的晶粒較橫向更長，導(dǎo)致晶粒之間流動的速度更快，并且原子之間排列的緊密程度也更好[7]。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，平行于軋制方向的試樣具有良好的力學(xué)性能，而垂直于軋制方向上的試樣力學(xué)性能比較差。

圖7 不同取樣方向力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of different sampling directions

2.5 試驗拉伸速率對斷后伸長率的影響

試樣在不同應(yīng)變速率下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率，如圖8所示。在較低的應(yīng)變速率下，改變應(yīng)變速率，對規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響不明顯。但隨著應(yīng)變速率的增大，斷后伸長率有逐漸降低的趨勢。從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率等于50s-1時，斷后伸長率最低。這主要因為隨著應(yīng)變速率增加，位錯增值速率加快并塞積，位錯運動阻力增加，導(dǎo)致加工硬化，流動應(yīng)力增加，從而降低了合金塑性[8]。

圖8 不同拉伸速率力學(xué)性能Fig. 8 Mechanical properties of different tensile rates

3 實驗結(jié)論

(1)人工測量斷后伸長率比用機(jī)器自動測量系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)更可靠，更接近真實的斷后伸長率。試樣斷裂位置具有隨機(jī)性，人工測量與引伸計自動測量數(shù)據(jù)差異是客觀存在的。在測量斷后伸長率精準(zhǔn)度要求不高時，可采用引伸計自動測量。

(2)用機(jī)器測量斷后伸長率時，盡管試樣的形狀不同，但所測出的最大力塑性延伸率Ag卻比較接近，說明最大力塑性延伸率Ag會反映出材料的塑性。

(3)縱向取樣且平行長度相同時，無論是機(jī)器測量還是人工測量，圓形試樣的斷后伸長率要比矩形試樣的斷后伸長率略大。

(4)樣坯加工成相同試樣形狀，不同的試樣平行長度，所測得的斷后伸長率，隨著平行長度的增大，斷后伸長率會相應(yīng)增大。雖然國家標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了拉伸試樣平行部的最小值，沒有上限要求，但并不意味著拉伸試樣平行長度越長越好[6]。試樣的平行長度過長，相應(yīng)的加工試樣的形狀公差會增大，從而導(dǎo)致試樣在拉伸過程中，斷裂在無效區(qū)的概率增大。因此選擇合理的試樣平行長度，對于保證試樣加工的精度和測出真實準(zhǔn)確的斷后伸長率，是十分必要的。

(5)橫向取樣的斷后伸長率明顯小于縱向取樣的斷后伸長率。說明取樣方向?qū)︿X型材的斷后伸長率影響較大。

(6)在較高的應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)變速率的增大，斷后伸長率有逐漸降低的趨勢。在較低的應(yīng)變速率下，應(yīng)變速率略微增大，對斷后伸長率影響不明顯。