AA6063 鋁合金韌性斷裂斷口分析

李漢林，何 濤，霍元明，高建燁，李詩謙，賈東昇

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

鋁合金具有輕質量、低成本、加工性能優異的優勢，被廣泛應用于航空、汽車和建筑等各傳統領域[1].6063 鋁合金屬于Al-Mg-Si 系鋁合金，具有優異的熱加工性能及耐腐蝕性，經時效處理后，雖然晶粒有一定程度的長大，但力學性能可得到大幅提升[2].隨著進一步發展，鋁合金被應用到高新兵器、光伏支架等更多的環境之中[3?5].鋁合金零件在使用過程中也會伴隨斷裂失效發生[6?7]，對生產生活造成影響.

韌性斷裂和脆性斷裂是金屬材料斷裂的主要方式，鋁合金的斷裂多屬于韌性斷裂[8].在材料的大變形過程中，由于損傷的積累推動微孔洞的演化，其演化過程包括孔洞的形核、長大與聚合.Taylor 等[9]使用X 線和聚焦離子束斷層掃描對2024–T351 鋁合金初始材料的孔洞、夾雜物進行觀察，得到初始材料內孔洞呈球形，夾雜物既有球形也有不規則形狀.姜薇等[10]研究2024 鋁合金材料拉伸及剪切斷裂的斷裂行為，得出拉伸斷裂過程屬于孔洞韌帶緊縮過程控制的斷裂機理，孔洞體積大、斷面粗糙；剪切斷裂過程屬于微孔洞韌帶剪切作用控制的斷裂機理，孔洞體積無明顯變化、斷面較平整.高建燁等[11]建立6063 鋁合金的Bai-Wierzbicki 韌性斷裂準則并驗證該準則的準確性，對6063 鋁合金的等通道轉角擠壓（Equal–Channel Angular Pressing，ECAP）過程進行有限元模擬發現，ECAP 過程中通道拐角處的剪切變形造成剪切類塑性損傷.朱浩等[12]對不同應力狀態下鋁合金變形及損傷機理研究發現，隨著蝴蝶件拉伸加載角度的增大，試件剪切斷裂機制逐漸增加，韌窩斷裂機制減少.Lou 等[13]以DP980 和7075 鋁合金為材料制備具有不同應力三軸度的試件，進行拉伸及壓縮發現，具有不同應力狀態的試件均沿最大剪應力方向失效，孔洞沿最大剪應力方向拉長.Shang等[14]使用具有不同晶粒尺寸的試件進行拉伸，建立基于晶體塑性的本構模型及考慮晶粒尺寸的孔洞長大模型，并驗證模型的準確性.觀察試樣的韌性斷口發現，晶粒尺寸的大小會影響試件的斷裂模式：對于晶粒較小試件，斷口呈杯錐形；對于晶粒較大試件，斷口呈大凹窩狀.上述對韌性斷裂的研究表明，韌性斷裂有韌窩斷裂與剪切斷裂兩種斷裂方式，通過對韌性斷裂斷口形貌的觀察，可以判斷試件的韌性斷裂方式.

本研究擬對6063 鋁合金進行韌性斷裂試驗，研究韌性斷裂斷口形貌，分析應力三軸度對韌性斷裂斷口形貌的影響.

1 韌性斷裂試驗材料及方法

本試驗采用的材料為AA6063 鋁合金，熱處理狀態為T6，其主要合金元素為Mg、Si.為獲得不同的韌性斷裂斷口特征，設計具有不同初始應力三軸度的試驗試件，初始應力三軸度計算公式見表1，試件形狀與尺寸如圖1 所示.表1 中，a0為缺口圓柱拉伸試件最小橫截面處的初始半徑；t0為凹槽平板拉伸試件的初始厚度；R0為缺口圓柱拉伸試件及凹槽板拉伸試件的初始缺口半徑.

表1 初始應力三軸度計算公式Table 1 Calculation formula of initial stress triaxiality

圖1 韌性斷裂試驗試件形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of ductile fracture test specimens

不同半徑的缺口圓柱拉伸試件（NR5,NR10,NR20）的初始應力三軸度，不同寬度的凹槽板拉伸試件（PT4,PT6）以及光滑圓柱扭轉試件的初始應力三軸度見表2.

表2 不同試件的初始應力三軸度Table 2 Initial stress triaxiality of different specimens

試驗中：缺口圓柱拉伸試驗使用WDW-100E型萬能試驗機進行試驗，拉伸速率為0.25 mm/s，標距設計為35 mm；凹槽板拉伸試驗使用JVJ-50 s電子萬能試驗機，拉伸速率為0.25 mm/s，標距設計為40 mm；光滑圓柱扭轉試驗使用濟南中創公司的ZCNZ-30，扭轉速率為0.1 rad/s，標距設計為50 mm.試驗所用掃描電子顯微鏡型號為TESCANVEGA3.

2 結果與討論

圖2 為光滑圓柱扭轉試驗的斷口SEM 圖.圖2（a）為低倍放大的斷口形貌，可以發現深灰與淺灰兩種不同顏色的區域，這是由于電子顯微鏡在拍攝時，不同類型斷口表面的反射效果不同造成的.圖2（b）、圖2（c）為將兩種不同顏色區域分別放大 1 000 倍.圖2（b）中大量小而深的韌窩表明該處在最大拉應力作用下，由韌窩斷裂方式主導的韌性斷裂.圖2（c）中斷口表面存在“蛇形滑移”與“漣漪”特征，表明該處在最大剪切應力作用下，由純剪切斷裂方式主導的韌性斷裂；還有部分韌窩表明該區域仍然存在孔洞的形核、長大，并在剪應力作用下發生形變，最終產生拋物形的韌窩.

圖2 光滑圓柱扭轉試驗斷口SEM 圖Fig.2 SEM pictures of fracture of smooth cylindrical torsion test

6063 鋁合金中含有Mg2Si 相與Al 基體[15]，兩者具有不同的彈性模量.在變形過程中，Mg2Si 周圍變形的不協調使得Mg2Si 相與基體發生脫黏或者Mg2Si 相本身發生破裂，造成初始微孔洞形成.由變形不協調形成的微孔洞在拉應力或剪應力作用下發生長大和形變.圖3 為缺口圓柱拉伸試驗的斷口SEM 圖.

圖3 缺口圓柱拉伸試驗斷口SEM 圖Fig.3 SEM pictures of fracture of notched cylindrical tensile test

從圖3（a）、3（d）、3（g）中可以看到，斷口表面存在3 個區域分別為裂紋源區、放射區和剪切斷裂區.隨缺口半徑的減小，裂紋源區的面積增大，而剪切斷裂區的面積則減小，斷口中央為裂紋源區.從圖3（b）、3（e）、3（h）3 個裂紋源區中可以看到，存在大量小而深的韌窩，呈沿拉應力方向的等軸型韌窩，這表明該區域韌窩在拉應力作用下形核、長大.NR5 裂紋源區的韌窩比NR10 和NR20裂紋源區的韌窩更大、更深，這是由于NR5 應力三軸度更高，孔洞的形核、長大迅速且更充分.

試件斷口邊緣處為剪切斷裂區.從圖3（c）、3（f）、3（i）中可以看到，剪切斷裂區韌窩數量相比裂紋源區少，韌窩尺寸小且韌窩發生形變，呈剪切型的傾斜韌窩.這說明剪切斷裂區的孔洞在拉應力作用下形核、長大，同時在剪切應力的作用下發生形變.與試件中央相比，斷口邊緣處韌窩即剪切斷裂區的孔洞生長不夠充分，最終在剪切應力作用下發生斷裂.

相較于圖2 的扭轉斷口，圖3 中NR10 與NR20斷口韌窩尺寸與圓柱扭轉試驗斷口中心處韌窩均較小，這是由于三者應力三軸度相近且較低，孔洞的長大不夠充分.

圖4 為凹槽板拉伸試驗的斷口SEM 圖.從凹槽板拉伸斷口中既可以看到大量尺寸較大的韌窩又可以看到部分剪切平面，這說明凹槽板的拉伸斷裂由韌窩斷裂及剪切斷裂兩種方式共同主導，凹槽板剪切斷裂特征的出現與其受到的偏應力有關[16].比較PT4 與PT6 斷口中央處孔洞可以發現，PT4 斷口中央處的韌窩更深、更大，這是由于PT4的應力三軸度大于PT6，加載過程中PT4 的孔洞形核、生長更充分.這與缺口圓柱拉伸試驗中出現的現象相符.

與中央區相比，凹槽板拉伸邊緣區的韌窩數量較少，深度更淺，并且從PT6 邊緣區的斷口形貌中可以發現類似于純剪切斷口的“漣漪”特征.

相較于圖2 中的試件斷口，圖4 中凹槽板拉伸斷口的韌窩具有明顯的橢圓特征，韌窩更大、更深，但分布稀疏.這是由于凹槽板相比光滑圓柱和缺口圓柱，應力三軸度更高.在拉應力作用下孔洞發生形核，并且繼續沿著最大拉應力的方向長大，同時又受到剪應力作用沿最大剪應力方向發生形變，最終形成橢球狀大而深的韌窩.

3 結 語

1）斷口形貌受應力三軸度的影響，應力三軸度越高，韌窩越大越深，韌窩斷裂特征越明顯.

2）PT4 凹槽板拉伸試樣初始應力三軸度在0.66～1.00 之間，屬于高應力三軸度，但在韌性斷口形貌中可以看到剪切斷裂特征存在，這表明除應力三軸度以外，韌性斷裂斷口形貌也受到偏應力的影響.