李文瀚，孫 堯，張 浩，徐 雷，王力顥

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

如今，工業(yè)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，鋁合金構(gòu)件的需求日益增多，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]。因此，鋁合金的力學(xué)性能至關(guān)重要。拉伸試驗(yàn)是獲取力學(xué)性能的主要途徑之一[3]，在拉伸性試驗(yàn)中，不同的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不同程度的影響，試驗(yàn)速率就是重要參數(shù)之一。在金屬拉伸試驗(yàn)中，拉伸速率對(duì)材料性能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[4-5]。但在日常的拉伸試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)并非完全如此[6-7]。鋁合金在軸向靜力拉伸中處于連續(xù)屈服狀態(tài)，沒有明顯的屈服平臺(tái)，以0.2%的應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，在測(cè)試規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度時(shí)應(yīng)裝卡引伸計(jì)，在屈服階段以后的拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，采用橫梁位移控制應(yīng)變速率[8]。本試驗(yàn)提出兩種試驗(yàn)速率的控制方法來(lái)研究對(duì)室溫拉伸試驗(yàn)性能的影響；方法一，在橫梁位移速率不變的條件下，考察不同應(yīng)力速率對(duì)拉伸試樣力學(xué)性能的影響；方法二，在應(yīng)力速率不變的條件下，考察不同橫梁位移速率對(duì)拉伸試樣力學(xué)性能的影響，研究了試驗(yàn)速率對(duì)6005A-T6鋁合金擠壓型材拉伸性能的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

(1)試驗(yàn)材料。試樣材料為 6005A-T6合金型材。斷面圖如圖1所示。

圖1 擠壓型材斷面圖Fig.1 Section view of extruded profile

(2)試樣加工。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16865-2013《變形鋁、鎂合金及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》[9]進(jìn)行機(jī)械加工，在圖1的取樣位置1A處取矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣。

(3)試樣尺寸測(cè)量。試樣厚度、寬度均用精確度為 0.01mm的千分尺進(jìn)行測(cè)量并記錄。

(4)確定試樣標(biāo)距。矩形標(biāo)準(zhǔn)試樣的標(biāo)距均為35mm 。

(5)斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)量。采用圓規(guī)和精確度為 0.02mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣斷裂后的標(biāo)距，計(jì)算斷后伸長(zhǎng)率。A = ( Lu-L0) /L0；式中，A為斷后伸長(zhǎng)率，Lu為斷后標(biāo)距，L0為原始標(biāo)距。

(6)檢測(cè)方法。采用日本島津 AG-X100KNH 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB /T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸方法》[10]對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每個(gè)速率取4個(gè)拉伸試樣，測(cè)定抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》[11]在拉伸試驗(yàn)之后對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，測(cè)定布氏硬度。在拉伸后的試樣斷口處進(jìn)行金相組織分析，使用100×顯微鏡得到圖像。

2 試樣結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力速率對(duì)力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)溫度23℃，橫梁位移速率為30mm/s，應(yīng)力速率分別為18MPa/s、20MPa/s、25MPa/s、30MPa/s、35MPa/s、50MPa/s，考察不同應(yīng)力速率對(duì)6005A-T6鋁合金擠壓型材力學(xué)性能的影響。

將表1中相同速率的4組拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取平均值，分別在圖2、圖3中呈現(xiàn)出應(yīng)力速率對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)和延性性能指標(biāo)的影響。由圖可以看出，在應(yīng)力速率控制條件下，強(qiáng)度性能指標(biāo)只產(chǎn)生一定幅度的波動(dòng)，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。而斷后伸長(zhǎng)率隨著應(yīng)力速率的增加呈降低趨勢(shì)，但在應(yīng)力速率為25MPa/s、30MPa/s、35MPa/s時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率穩(wěn)定在14.0%。由此可知，在一定范圍內(nèi)，6005A-T6鋁合金擠壓型材對(duì)應(yīng)力速率的改變體現(xiàn)較低的敏感性。

表1 6005A-T6鋁合金擠壓型材不同應(yīng)力速率的拉伸性能指標(biāo)Tab.1 Tensile Properties of 6005A-T6 aluminum alloy extruded profiles at different stress rates

圖2 應(yīng)力速率對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)的影響Fig.2 Influence of stress rate on strength performance index

圖3 應(yīng)力速率對(duì)延性性能指標(biāo)的影響Fig.3 Influence of stress rate on ductility performance index

2.2 橫梁位移速率對(duì)力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)溫度23℃，應(yīng)力速率為18MPa/s，在保證應(yīng)力-應(yīng)變曲線連續(xù)性的前提下，橫梁位移速率分別為30mm/s、40mm/s、50mm/s、60mm/s、70mm/s、100mm/s，考察不同橫梁位移速率對(duì)6005A-T6鋁合金型擠壓材力學(xué)性能的影響。

將表2中橫梁位移速率相同的4組拉伸數(shù)據(jù)求取平均值，分別在圖4、圖5中呈現(xiàn)出橫梁位移速率對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)和延性性能指標(biāo)的影響。由圖可以看出，隨著橫梁位移速率的增加，抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度趨向升高，斷后伸長(zhǎng)率趨向降低，與理論相一致。這可能與金屬內(nèi)部原子排列存在位錯(cuò)等晶體缺陷有關(guān)。金屬在拉伸的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)外力超過(guò)材料的彈性極限時(shí)，位錯(cuò)沿著一定的晶面和晶向運(yùn)動(dòng)，引起位錯(cuò)增值，位錯(cuò)密度增加。規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度從理論上說(shuō)是位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)的臨界應(yīng)切力，其值由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受各種阻力決定，增加拉伸速率，位錯(cuò)密度增加，晶格阻力也增加[12]，因此規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度也隨之增加。位錯(cuò)的滑移過(guò)程需要一定的時(shí)間間隔[13]，增加橫梁位移速率，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和增值也隨之增加，但由于時(shí)間的滯后性，位錯(cuò)密度要低于使其在承受低速時(shí)斷裂的最大力條件下的密度，要達(dá)到斷裂要求就需要加載更大的試驗(yàn)力，因此抗拉強(qiáng)度也隨之增加。由此可知，6005A-T6鋁合金擠壓型材力學(xué)性能對(duì)橫梁位移速率的改變體現(xiàn)較高的敏感性。

表2 6005A-T6鋁合金擠壓型材不同橫梁位移速率的拉伸性能指標(biāo)Tab.2 Tensile properties of 6005A-T6 aluminum alloy extruded profiles at different crosshead separation rate

圖4 橫梁位移速率對(duì)強(qiáng)度性能指標(biāo)的影響Fig.4 Influence of beam dispalcement rate on strength performance index

圖5 橫梁位移速率對(duì)延性性能指標(biāo)的影響Fig.5 Influence of beam displacement rate on ductility performance index

2.3 金相組織分析

圖6為6005A-T6合金在應(yīng)力速率18MPa/s、不同橫梁位移速率下斷口顯微組織金相圖。由圖可知，隨橫梁位移速率的增大，基體組織沿拉伸方向伸長(zhǎng)變形，析出相有細(xì)化趨勢(shì)，晶粒越細(xì)，塑性變形越可以在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使變形更均勻，內(nèi)應(yīng)力集中也越小。可以看出，晶粒越細(xì)，晶粒與晶粒之間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會(huì)越多，阻礙了裂紋的傳播與發(fā)展，從而強(qiáng)度就越來(lái)越高，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。并對(duì)拉伸后的試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果分別為98.5HBW、106HBW，進(jìn)一步證明橫梁位移速率的增加提高了試樣強(qiáng)度。

(a)橫梁位移速率30mm/s (b)橫梁位移速率100mm/s圖6 不同橫梁位移速率下斷口顯微組織金相圖Fig.6 Metallography of fracture microstructure at different beam dispalcement rates

3 結(jié)論

(1)6005A-T6鋁合金擠壓型材隨應(yīng)力速率的提高，強(qiáng)度性能指標(biāo)和延性性能指標(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。而隨橫梁位移速率的提高，強(qiáng)度性能指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率趨向降低，主要是由于隨橫梁位移速率的增加，使金屬內(nèi)部出現(xiàn)了位錯(cuò)數(shù)量增加和細(xì)晶強(qiáng)化的現(xiàn)象。

(2)同種材料對(duì)不同速率控制的敏感性不同，作為試驗(yàn)人員，應(yīng)掌握材料對(duì)不同試驗(yàn)速率控制的敏感程度和控制范圍，在不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，可適當(dāng)提高試驗(yàn)速率，以提高檢測(cè)效率，但對(duì)于敏感性高的鋁材可通過(guò)自身試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定試驗(yàn)方案。