鋁合金材料低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究

朱炳麟，周 彬

（上海航天控制技術(shù)研究所 上海 201109）

0 引言

鋁合金材料是一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其具有較好的耐氧化和耐腐蝕性質(zhì)的同時，具有質(zhì)量輕、延展性好的金屬特性[1]。由于鋁合金材料的突出性能和廣泛的用途，其性能研究逐漸成為熱點(diǎn)話題。國內(nèi)學(xué)者曹宇等[2]在用6013 鋁合金組織和性能的影響研究中，分析了鋁合金材料力學(xué)性能的影響因素，得到性能影響數(shù)據(jù)，并提出了改善建議，為鋁合金材料的發(fā)展提供了可靠依據(jù)。

現(xiàn)階段大多數(shù)研究是關(guān)于常溫環(huán)境下鋁合金材料的力學(xué)性能研究，但是現(xiàn)有關(guān)于鋁合金材料的低溫力學(xué)性能的理論有限，無法為鋁合金材料低溫力學(xué)性能改善提供有力依據(jù)，因此，本文提出鋁合金材料低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究，通過制作5 種不同鋁含量的鋁合金材料試樣，針對低溫下該材料的力學(xué)性能進(jìn)行對比和分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

此次試驗(yàn)選取了5種常見的鋁合金材料作為試驗(yàn)對象，見表1。

表1 鋁合金材料的化學(xué)成分表 單位：wt.%

試驗(yàn)為鋁合金材料低溫下拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備主要為天津島津低溫電子設(shè)備生產(chǎn)有限公司生產(chǎn)的SHKIDAF/AS2F45A 型號拉伸試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備主要由加載裝置、低溫裝置、恒溫裝置以及操作控制裝置4 部分組成。

1.2 試驗(yàn)試件設(shè)計及制作

試驗(yàn)使用6062-T6、6061-T6、6016-T6、6026-T6、6011-T6 5 種鋁合金材料制作試驗(yàn)試件共100 根，由于此次試驗(yàn)為拉伸試驗(yàn)，因此，鋁合金材料試件制作成板材拉伸試樣[3]。因?yàn)榻饘俨牧系闹虚g和邊緣在試驗(yàn)過程中受力結(jié)構(gòu)不同，容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差，因此，為了保證此次鋁合金材料低溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，增加鋁合金試件拉伸部分的有效面積，將鋁合金試件設(shè)計成中間窄、兩邊寬的樣式，有效形成區(qū)域由中間向四周勻速擴(kuò)展的弧形。鋁合金試件兩側(cè)扇形半徑為300 mm，中間寬度為150 mm，長度為450 mm。

采用模壓工藝制作鋁合金試件，涉及的機(jī)械設(shè)備為電阻爐，工具為鋁合金制作模具，其制作過程如下：首先準(zhǔn)備模具，在鋁合金試件制作之前按照以上設(shè)計的鋁合金試件規(guī)格制作模具，模具的外形參數(shù)要比鋁合金試件設(shè)計參數(shù)大0.5 ～1 mm。使用干燥的麻布擦拭制作好的模具，保證模具內(nèi)部沒有雜質(zhì)和灰塵，并且在模具內(nèi)部涂抹脫模劑，方便鋁合金試件脫模。模具準(zhǔn)備好后，將電阻爐開關(guān)打開進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間為15 min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到100 ℃后，將鋁合金原料放入電阻爐內(nèi)進(jìn)行合金熔煉，控制電阻爐熔煉溫度在750 ℃，熔煉時間為45 min。熔煉時間在20 min 時，將Al-Sr 中間合金添入爐內(nèi)，利用Al-Sr 對爐內(nèi)熔漿進(jìn)行變質(zhì)處理，隨后將電阻爐內(nèi)通入氬氣，并且進(jìn)行精煉攪拌，攪拌時間不能小于10 min。然后將熔煉好的鋁合金金屬熔漿進(jìn)行冷卻，待熔漿溫度下降到400 ℃后，將其重力澆筑到準(zhǔn)備好的模具中，澆筑熔漿不能超過模具容積的0.1%，同時不小于模具容積的99%。最后將模具蓋蓋上，放入溫度為10 ℃的冷水中冷卻30 min，冷卻后將鋁合金試件進(jìn)行脫模，以此完成鋁合金試件制作。

1.3 試驗(yàn)方法及過程

在鋁合金材料拉伸試驗(yàn)中，為了避免試驗(yàn)結(jié)果受到鋁合金試件拉伸方法影響，保證試件在試驗(yàn)中必須全截面受拉，外荷載垂直作用在試件截面上，產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力，試驗(yàn)采用外夾式的拉伸方法，該方法使用兩塊夾持鋼板固定鋁合金材料試件，通過試件表面與夾持鋼板之間的摩擦力向鋁合金試件橫軸施加拉伸力。在拉伸試驗(yàn)中，鋁合金試件表面出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象時，停止拉伸，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并且通過相機(jī)拍攝鋁合金試件斷裂面，利用250 kV 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察鋁合金試件斷裂截面的微觀形貌，分析鋁合金材料低溫力學(xué)性能。

試驗(yàn)過程：將制作好的鋁合金試件進(jìn)行編號，按照GB/T105154-2008 的要求將制作好的鋁合金試件固定在SHKIDAF/AS2F45A 型號拉伸試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)平臺上，拉伸試驗(yàn)機(jī)最大荷載為1 000 kN，調(diào)整拉伸試驗(yàn)機(jī)加載端位移以釋放鋁合金試件上的初始應(yīng)力，加載速率設(shè)定為0.02 mm/min，按照恒位移控制加載，在鋁合金試件的兩側(cè)安裝兩個變形引伸計，變形引伸計的量程為150 mm[4]。在拉伸試驗(yàn)機(jī)低溫裝置中加入液氮，由拉伸試驗(yàn)機(jī)操作控制液氮加入速度，低溫溫度分別為50 K、100 K、150 K、200 K、250 K，每個溫度恒定20 min[5]。在恒定時間內(nèi)利用拉伸試驗(yàn)機(jī)加載裝置拉伸鋁合金試件。記錄拉伸試驗(yàn)機(jī)和拉伸變形計的數(shù)據(jù)，按照鋁合金試件編號進(jìn)行分類管理，用于后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)中采用250 kV 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察鋁合金試件斷面結(jié)構(gòu)，250 kV 場發(fā)射掃描電子顯微鏡的分辨率設(shè)定為2 836×3 265，應(yīng)變范圍設(shè)定為0.45%～250%，誤差范圍設(shè)定為≤0.2%，觀測面積設(shè)定為500 mm×500 mm，觀測點(diǎn)參數(shù)設(shè)定為45 萬。

2 結(jié)果

在拉伸試驗(yàn)過程中，拉伸試驗(yàn)機(jī)的自動采集系統(tǒng)獲取鋁合金材料在不同溫度環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，計算鋁合金試件在低溫環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度，其計算公式如下：

公式（1）中，s表示鋁合金試件的拉伸強(qiáng)度；e表示鋁合金試件表面出現(xiàn)斷裂時的最大載荷；k表示鋁合金試件的厚度；b表示鋁合金試件的彈性模量；h表示鋁合金試件的長度。利用上述公式計算每種鋁合金試件的拉伸強(qiáng)度，見圖1。

在鋁合金試件拉伸試驗(yàn)中，通過觀察試件斷裂位置發(fā)現(xiàn)，大部分試件斷裂長度為5.5 ～15.5 mm，最大斷裂長度為32.6 mm。斷裂位置主要出現(xiàn)在鋁合金試件的中上部分，并且中間部位斷裂長度較大，數(shù)量較少，鋁合金試件的四周斷裂長度普遍較短，數(shù)量較多，斷裂延伸方向?yàn)橛蓛?nèi)向外。從裂紋的外觀分析，鋁合金試件斷裂的裂紋主要呈山脊?fàn)罨y，通過顯微鏡觀察，鋁合金試件斷面存在大量的韌窩。根據(jù)裂紋走向情況以及斷裂裂紋的特征，鋁合金試件斷裂裂紋主要表現(xiàn)為延性斷裂和剪切斷裂兩種，鋁合金材料在拉伸試驗(yàn)中瞬間加載應(yīng)力超出了鋁合金材料的許用應(yīng)力，表面出現(xiàn)該宏觀塑性變形和剪切變形。斷裂裂紋的衍生是鋁合金試件變形過程中低溫力學(xué)能力逐漸惡化的結(jié)果，其斷裂情況與材料的延伸性能有關(guān)，因此，每個鋁合金試件在拉伸試驗(yàn)中，采用游標(biāo)卡尺測量鋁合金試件拉斷后延伸率，見圖2。

為了更好地分析鋁合金材料的低溫力學(xué)性能，在拉伸試驗(yàn)機(jī)的自動采集系統(tǒng)中獲取了鋁合金試件斷裂后的斷裂韌性數(shù)據(jù)，見表2。

表2 鋁合金材料在低溫下的斷裂韌性

以上為鋁合金試件低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，為后續(xù)鋁合金材料低溫力學(xué)性能分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 討論

從鋁合金試件低溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不同鋁含量的鋁合金材料在試驗(yàn)中體現(xiàn)不同的低溫力學(xué)特征。由圖1 可知，隨著鋁合金材料中鋁含量的增加，低溫拉伸強(qiáng)度逐漸提高，其中6016-T6 體現(xiàn)的抗拉性能最好，高出其他鋁合金材料的拉伸強(qiáng)度6.46%～14.68%；同時從表2 可知，6016-T6 在低溫拉伸試驗(yàn)中體現(xiàn)的斷裂韌性力學(xué)性能也優(yōu)于其他鋁合金材料，說明鋁合金材料的低溫拉伸力學(xué)性能和斷裂韌性力學(xué)性能受到鋁合金材料中鋁含量的影響。從低溫角度分析，無論何種鋁合金材料，其拉伸強(qiáng)度均隨著溫度的降低而降低。根據(jù)量子力學(xué)原理，金屬材料的屈服應(yīng)力與環(huán)境溫度的關(guān)系可以用錯位理論來解釋，鋁合金材料在低溫環(huán)境下，金屬組織晶粒逐漸發(fā)生細(xì)化，受到外力拉伸作用的影響，鋁合金材料組織晶粒相互纏繞，發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，并且纏繞錯位呈現(xiàn)均勻性特征，因此，鋁合金材料隨著溫度的降低，其拉伸強(qiáng)度逐漸下降。

從圖2 數(shù)據(jù)可知，鋁合金材料隨著溫度的降低，延伸率逐漸降低，說明溫度對鋁合金材料延展性造成影響，其原因是鋁合金材料在低溫環(huán)境中硬性發(fā)生了改變，隨著溫度的降低，鋁合金材料的彈性模量減小。當(dāng)溫度降低到一定數(shù)值時，鋁合金材料突破彈性階段，硬度得到提高，從而減小了延伸率[6]。利用顯微鏡觀察鋁合金材料在試驗(yàn)中拉伸斷口，發(fā)現(xiàn)鋁合金材料在低溫環(huán)境下拉伸斷口是由韌窩和少量沿晶斷裂的冰糖狀晶體組成，并且隨著溫度的降低，拉伸斷口處的沿晶斷裂的冰糖狀晶體數(shù)量逐漸增多，韌窩逐漸減少。原本鋁合金材料結(jié)構(gòu)由纖維狀晶體組成，受到溫度影響，原有的纖維狀晶體逐漸呈鏈狀分布，在外力拉伸作用下，這種鏈狀的晶體容易發(fā)生斷裂，因此，鋁合金材料的延伸率隨著溫度的降低而減小。

根據(jù)表2 可知，鋁合金材料的斷裂韌性隨著溫度的降低而提高，為了更好地分析溫度對鋁合金材料斷裂韌性力學(xué)性能的影響，通過顯微鏡觀察鋁合金材料裂紋，發(fā)現(xiàn)材料裂紋具有明顯的方向依存性，并且沿著晶界分層開裂，隨著溫度的降低，鋁合金材料表面的裂紋長度和深度逐漸減小，大裂紋數(shù)量也逐漸減小。但是隨著溫度的降低，鋁合金材料表面的小裂紋數(shù)量增多，其依附在大裂紋附近，鋁合金材料裂紋之間存在相互連接傳播的關(guān)系。其原因是低溫條件改變了鋁合金材料的脆性，溫度越低，材料的脆性越好，因此，在溫度逐漸降低時，鋁合金材料的斷裂韌性越高。

綜上所述，溫度因素影響鋁合金材料的力學(xué)性能，隨著溫度的降低，不同類型的鋁合金材料的拉伸強(qiáng)度力學(xué)性能存在差異，并且鋁合金材料在低溫環(huán)境下拉伸強(qiáng)度力學(xué)性能與溫度成正相關(guān)關(guān)系，斷裂韌性與溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，基于此，完成鋁合金材料低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

4 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)研究了鋁合金材料的低溫力學(xué)性能，并發(fā)現(xiàn)鋁合金材料的力學(xué)性能受溫度的影響。同時，低溫拉伸強(qiáng)度力學(xué)性能對鋁合金材料中鋁含量的依賴性較高，其在低溫環(huán)境下拉伸強(qiáng)度力學(xué)性能與溫度成正相關(guān)關(guān)系，斷裂韌性與溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，可以從鋁合金材料制作過程中的鋁含量入手，優(yōu)化和改善鋁合金金屬低溫力學(xué)性能。