試樣制備對6061鋁合金厚板拉伸性能的影響

李恩波,李 朔,馬學成,高金健,張 浩,李承豫

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁合金材料密度小,具有較高的比強度和優異的綜合性能,被廣泛應用在汽車、航空航天和建筑行業領域[1-2]。拉伸性能是鋁合金材料在研發、生產、調試以及檢驗過程中非常重要的檢測項目之一,強度性能指標(即規定塑性延伸強度Rp0.2與抗拉強度Rm)和塑性性能指標(即斷后伸長率A與斷面收縮率Z)均是反映鋁合金材料性能的關鍵參數,是判定其性能優劣的重要依據[3-4]。李文瀚等[5]分析了影響鋁合金室溫拉伸性能的外界因素,包括試樣切取過程、試樣形狀、試驗設備及測量工具和試驗員操作等。劉軍等[6]在不同的拉伸速率下對6061鋁合金進行拉伸試驗,結果表明隨著拉伸速率增加,6061鋁合金的屈服強度增大,斷后伸長率降低。孫曉紅等[7]通過不同溫度下6082-T6鋁合金板材的拉伸試驗,對合金的抗拉強度、屈服強度、彈性模量和斷后伸長率進行分析,結果表明合金的抗拉強度、屈服強度、彈性模量均隨溫度的升高而降低,而斷后伸長率隨溫度的升高而增加。由于拉伸試樣是測量鋁合金材料拉伸性能的載體,合理切取鋁合金料坯并制備拉伸試樣也是影響檢測結果準確性的主要因素。在拉伸試樣加工過程中,取樣位置、取樣方向、試樣尺寸等都會直接影響鋁合金拉伸試驗結果。因此,本文分析了不同取樣位置、取樣方向、試樣直徑和過渡弧半徑對6061鋁合金厚板拉伸性能的影響,以期將拉伸試驗結果的誤差降到最低。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

試驗材料為擠壓生產的6061鋁合金厚板型材,其截面寬度為203.2 mm,厚度為76.2 mm,化學成分如表1所示。

表1 6061鋁合金的化學成分(質量分數,%)

1.2 試樣制備方案

標準GB/T 16865—2013《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣及方法》中規定,當矩形厚板的厚度a大于40 mm、寬度b大于40 mm時,試樣選取部位應在擠壓橫截面上,靠邊緣1/4寬度與靠邊緣的1/4厚度的交點處切取,如圖1(a)所示。關于圓形試樣的尺寸,標準GB/T 16865—2013中給出了直徑d0的取值范圍為2.5～20 mm,過渡弧半徑r≧0.75d0,圓形試樣示意圖如圖2所示。根據切取樣坯的位置和試樣不同尺寸,設計了兩種試樣制備方案。

(a)標準中切取位置;(b)縱向1/4厚度、1/2厚度處;(c)橫向1/4厚度處

圖2 圓形試樣示意圖

方案一:同一批次的型材上沿擠壓方向(即縱向),在1/4厚度處和1/2厚度處切取兩組樣坯,如圖1(b)所示;在垂直擠壓方向上(即橫向),1/4厚度處切取一組樣坯,如圖1(c)所示。每組各8個樣坯,加工成圓形試樣,直徑d0為10 mm,過渡弧半徑r為8 mm,圓形試樣原始標距L0均為5d0,即50 mm。

方案二:在型材1/4寬度和1/4厚度處切取樣坯,分為兩組,一組加工成不同直徑的圓形試樣,直徑d0分別為3、5、8、10、12和15 mm,過渡弧半徑r為0.8d0;另一組樣坯加工成不同過渡弧半徑的試樣,直徑d0均為10 mm,過渡弧半徑r分別為2、4、6、8、10和12 mm。每種尺寸的圓形試樣均加工5個,且所有試樣原始標距L0均為5d0。

1.3 試驗結果

采用日本島津的AG-X 100 KN電子萬能試驗機,在室溫下進行拉伸試驗,試驗方法參照標準GB/T 228—2021《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》中規定的方法。方案一的拉伸試驗結果見表2,方案二中拉伸試驗結果為5個試樣的平均值,見表3。

表2 拉伸試驗結果(方案一)

表3 拉伸試驗結果(方案二)

2 試驗分析

2.1 取樣位置對拉伸性能的影響

在縱向1/4厚度和縱向1/2厚度處取樣,不同試樣的拉伸性能如圖3所示?？梢钥闯?縱向1/2厚度處取樣加工的圓形試樣的拉伸性能均低于縱向1/4厚度處,其中規定塑性延伸強度平均值降低了約5.46 %,抗拉強度平均值降低了約5.26 %,斷后伸長率平均值降低了約13.08 %,可見斷后伸長率對取樣位置的敏感性較強。因此,取樣位置對6061鋁合金厚板拉伸性能有著不可忽略的影響。

(a)Rp0.2;(b)Rm;(c)A

由于在擠壓過程中,因模具口的形狀導致合金變形不均勻,由外層至中心的變形程度逐漸減小,外層晶粒在摩擦阻力的作用下,破壞程度大,導致合金截面上的組織分布不均勻。隨后的淬火過程中,表面的降溫速度大于中心處,表面溫度的降低阻止了晶粒的長大,而合金中心的溫度大于表面,晶粒長大的速度大于表面,從而使合金表面晶粒細小,中心晶粒粗大[8-9],導致縱向1/4厚度處試樣的拉伸性能均高于縱向1/2厚度處。6061鋁合金厚板不同位置的晶粒度如圖4所示,縱向1/2厚度處試樣的晶粒度為7.5級,縱向1/4厚度處試樣的晶粒度為8級,該結果與理論結果基本一致。

(a)縱向1/2厚度處;(b)縱向1/4厚度處

2.2 取樣方向對拉伸性能的影響

在縱向1/4厚度和橫向1/4厚度處取樣,不同試樣的拉伸性能如圖5所示?？梢钥闯?合金的規定塑性延伸強度和抗拉強度具有相同的波動趨勢,橫向的平均強度均比縱向的強度小約5 MPa;而橫向和縱向的斷后伸長率差異較大,且橫向斷后伸長率明顯偏小,且波動較大。

(a)Rp0.2;(b)Rm;(c)A

由于鋁合金材料在擠壓過程中,隨著外形的改變,合金內部晶粒將沿著擠壓延展方向被拉長、拉細,使擠壓后的合金出現纖維組織。同時在合金變形過程中,受外力的作用,內部各個晶粒的滑移面和滑移方向都要向主變形方向轉動[10],隨后的回復再結晶所形成的新晶粒仍具有方向性,造成合金拉伸性能的各向異性。由于這種各向異性的特征,使得縱向拉伸試樣斷面上原子之間排列的緊密程度更好,故合金的縱向拉伸性能要高于橫向。另外根據斷裂理論,由于夾雜物的存在會使晶粒間的結合力減弱,破壞合金基體的連續性,裂紋易在夾雜物和基體組織的相界面處形成,從裂紋擴展角度看,晶粒細小致密,裂紋不易擴展,這是因為裂紋擴展時要多次改變方向,將消耗更多能量[11]。因此橫向拉伸時,試樣有較長的析出相,且晶粒排列不夠緊密,故合金的橫向斷后伸長率較差。

2.3 試樣直徑對拉伸性能的影響

拉伸試樣平行段直徑對拉伸性能的影響如圖6所示?？梢钥闯?試樣直徑為3 mm時,合金的強度較高,規定塑性延伸強度平均值達到了309 MPa,抗拉強度平均值為330 MPa,斷后伸長率的平均值為10.9 %;隨著試樣直徑的增大,強度逐漸降低,在直徑達到8 mm后強度逐漸穩定。但隨著試樣直徑的增大,斷后伸長率呈先增加后降低的趨勢,在直徑為8～10 mm時斷后伸長率達到峰值。

圖6 不同直徑試樣的拉伸性能

對于合金強度來說,試樣的直徑會影響過渡圓弧部分兩側應力集中影響區域的疊加程度,隨著拉伸試樣的直徑增大,在拉伸過程中由單向應力狀態逐漸轉向平面應力狀態,使得參加流變的材料逐漸增多,抗拉強度下降[12]。

對于斷后伸長率來說,拉伸試樣在受軸向拉力的過程中,平行段的變化過程為:彈性變形→均勻塑性變形→集中塑性變形(縮頸)→斷裂,斷后伸長率受平行段的均勻塑性變形量和縮頸變形量的影響。隨著拉伸試樣的直徑增大,試樣原始標距L0=5d0也增大,計算斷后伸長率的公式為:(斷后標距-原始標距)/原始標距×100%,但試樣斷裂前的主要變形量集中在縮頸處,故拉伸試樣平行段的直徑增大,導致合金斷后伸長率減小。

2.4 過渡弧半徑對拉伸性能的影響

不同過渡弧半徑對試樣拉伸性能的影響如圖7所示?？梢钥闯?隨著過渡弧半徑的增大,合金的規定塑性延伸強度平均值的波動較小,最大值與最小值差值僅為4 MPa,過渡弧半徑對規定塑性延伸強度的影響較小;但合金的抗拉強度和斷后延伸率均逐漸增大,當過渡弧半徑大于8 mm時,抗拉強度變化平緩,趨于穩定。

圖7 不同過渡弧半徑下試樣的拉伸性能

在過渡弧半徑小于8 mm時,斷后伸長率偏低,這是因為拉伸試樣斷裂的位置多發生在試樣的端頭,斷裂處與最接近的標距標記的距離小于原始標距的1/3,影響斷后伸長率的真實性、準確性。過渡弧是拉伸試樣夾持部分和平行部分之間的過渡區域,過渡弧半徑太小時,容易在過渡弧和平行段相接處造成應力集中,使試樣在端頭附近斷裂,影響合金強度降低,如圖8(a)所示;過渡弧半徑增大,夾持部分與平行部分過渡逐漸緩和,避免了拉伸過程中的應力集中,平行段得到充分延伸,有利于試樣斷裂在中間位置[13]。由試驗可知,拉伸試樣應滿足標準GB/T 16865—2013中規定過渡弧半徑r≥0.75d0的要求。

(a)4 mm;(b)8mm

3 結論

1)在6061鋁合金厚板型材縱向1/4厚度處切取試樣的拉伸性能高于縱向1/2厚度處,與塑性延伸強度和抗拉強度相比,斷后伸長率對取樣位置的敏感度較大。

2)6061鋁合金厚板型材的橫向拉伸性能比縱向拉伸性能低,尤其是橫向拉伸與縱向拉伸的斷后伸長率差異很大。

3)拉伸試樣平行段直徑過小時,合金強度較高,斷后伸長率較低;而直徑過大時,由于原始標距的增大,導致計算得出的斷后伸長率偏小。

4)過渡弧半徑尺寸過小,試樣容易在端部附近斷裂,斷裂位置小于原始標距的1/3,對斷后伸長率的影響較大。

5)試樣制備過程中,應嚴格按照標準中的取樣位置切取樣坯,拉伸試樣平行段直徑為8～12 mm、過渡弧半徑r≥0.75d0時,6061鋁合金厚板的拉伸性能具有較高的準確性。