不同试样形状与尺寸对铝合金力学性能的影响

孙 尧，李文瀚，韩世涛，王周冰，陆宏韬

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111000)

铝合金是工业生产中应用最为广泛的有色金属，其凭借低密度、高强度、高塑性、优良的导电性、导热性以及抗腐蚀性等优点，在海、陆、空、机械制造及化学工业中大量应用[1-3]。如今，工业经济迅猛发展，对铝合金的需求日益增多，使铝合金的研究也更加深入。6xxx系合金具有Al-Mg-Si结构，属于可热处理强化的变形铝合金，具有中等强度，良好的焊接性和耐腐蚀性，集中了4xxx系和5xxx系合金的优点[4]。6060合金具有良好的机械性能、中等强度、较高的抗腐蚀性和焊接性，近年来主要用于飞机零件、照相机镜头、耦合器、船舶配件、磁头、刹车活塞等，是应用比较广泛的合金[5]。

拉伸试验是获取铝合金力学性能的主要途径之一。根据企业要求和实际生产情况，拉伸试样只能选取一种形状进行试验。对于临界状态(即样坯尺寸处于临界状态时，可以选取不同形状的标准试样，或不同尺寸的标准试样)，试样的选取对力学性能产生的影响，目前的文献中并没有明确解决这一问题的针对性方案。本文围绕这一课题，在室温条件下，以T6状态6060合金为代表，对临界状态下不同的试样形状及尺寸对铝合金力学性能的影响展开了研究。

1 试验过程

(1)试验材料。选取临界状态的两种样坯进行取样，断面图见图1，化学成分见表1。

表1 样坯化学成分(wt.%)

(2)试样加工。国家标准GB/T 16865-2013[6]中规定，样坯厚度不大于12.5mm时，应选用50mm定标距矩形标准试样，若不能加工成50mm的定标距矩形标准试样时，可采用25mm的定标距矩形标准试样；厚度大于12.5mm时，应选用5d0的圆形标准试样。图1为各向同性T6状态的6060合金，图1中管材的厚度为12.5±0.5mm，按国家标准GB/T 16865-2013在图1中的取样位置1A处取12个试样进行机械加工，其中6个加工为圆形标准试样，其余为弧形标准试样。在图1中型材的取样位置1处取12个试样进行机械加工，均加工成矩形标准试样，其中6个加工为宽度12.5mm的矩形标准试样(以下命名为大板)，其余为宽度6.0mm的矩形标准试样(以下命名为小板)。

(a)管材

(b)型材图1 样坯断面图Fig.1 Sectional viewof profile

(3)试样尺寸测量。试样直径、厚度、宽度均用精确度为0.01的千分尺进行测量并记录。

(4)确定试样标距。图1中管材试样的标距均为50mm，型材试样的标距分别为50mm和25mm。

(5)断后伸长率的测量。采用圆规和精确度为0.02的游标卡尺测量试样断裂后的标距，计算断后伸长率。A=(Lu-L0)/L0；式中，A为断后伸长率，Lu为断后标距，L0为原始标距。

(6)检测方法。采用日本岛津AG-X100KNH电子万能试验机，按国家标准GB/T 228.1-2010[7]对试样进行拉伸试验，测定抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率。

2 试样结果与分析

2.1 试样形状对力学性能的影响

试验温度23℃，考察同批次不同试样形状对管材力学性能的影响。图2为不同试样形状的力学性能指标。由图2可以看出，试样的抗拉强度与规定塑性延伸强度具有相同的波动趋势，但数值波动不明显，说明两种形状的试样力学性能均非常稳定。相比之下，弧形标准试样的抗拉强度、规定塑性延伸强度高于圆形标准试样，这可能与试样的厚度有关[8]，对样坯厚度处于临界状态进行取样时，弧形标准试样的厚度与样坯厚度相同，而圆形标准试样需进一步对样坯进行机械加工，使其直径小于原始厚度。因此，样坯厚度处于临界状态时，不同试样形状的抗拉强度、规定塑性延伸强度是有差异的。

图2 不同试样形状的力学性能指标Fig.2 Mechanical properties of different sample shapes

图3为不同试样形状的断后伸长率。由图3可以看出，弧形标准试样与圆形标准试样的伸长率相差较大，这是由于金属流动的最小阻力定律决定的。试样变形过程中，变形体中的质点具有沿不同方向流动的趋势，但最终将会沿着阻力最小的方向流动[9]。对于非圆形断面的试样，在变形过程中，棱角部位的变形量大，边部中心处变形量小，在试样保持不断裂的情况下，将力图使断面的周界最小，最终趋于圆形断面。拉伸过程中，当延伸量相同时，非圆形断面棱角部位的变形量要大于圆形断面，因此会更早断裂，伸长率降低[10]。由此可知，样坯厚度处于临界状态时，圆形标准试样的伸长率要高于弧形标准试样。

图3 不同试样形状的伸长率Fig.3 Elongation of different sample shapes

2.2 试样尺寸对力学性能的影响

试验温度23℃，考察同批次不同试样尺寸对型材力学性能的影响。图4为不同试样尺寸的力学性能指标。由图4可以看出，试样的抗拉强度与规定塑性延伸强度具有相同的波动趋势，但数值波动不明显，说明两种尺寸的试样力学性能均非常稳定。相比之下，大板的抗拉强度、规定塑性延伸强度要略高于小板，这可能与6060-T6本身性能有关，6060-T6合金强度较低，在机械加工时可能会发生退火现象，小板的横截面积小，发生退火现象比较明显，从而其强度略有降低[11]。因此，样坯长度处于临界状态时，不同试样尺寸的抗拉强度、规定塑性延伸强度是有差异的。图5为不同试样尺寸的伸长率。

图4 不同试样尺寸的力学性能指标Fig.4 Mechanical properties of different sample sizes

图5 不同试样尺寸的伸长率Fig.5 Elongation of different sample sizes

由图5可以看出，大板的伸长率比较稳定，小板数值波动较大且偏低。这可能与试样平行段长度有关。拉伸过程中变形主要集中在平行段，由均匀伸长△LB和缩颈处的集中伸长△LA组成，无论是△LB还是△LA，大板所占的比例均相对高于小板[12]。且小板的横截面积小，断口处无法完全重合，对断后伸长率的测量存在较大误差，故波动较大[13]。由此可知，样坯尺寸处于临界状态时，大板的伸长率较稳定、准确度较高。

3 结论

本文以6060-T6合金为代表，研究了临界状态下试样形状与尺寸对铝合金力学性能的影响。试样结果表明，样坯厚度处于临界状态时，弧形标准试样的抗拉强度、规定塑性延伸强度高于圆形标准试样，但伸长率较低；样坯长度处于临界状态时，大板的抗拉强度、规定塑性延伸强度高于小板，且测量的大板伸长率稳定性和准确度均较高。由此我们可以推断出试样形状或尺寸的不同，其力学性能检测结果也会有一定差异，这种差异可能会造成不合格产品的达标，给企业造成不可挽回的损失，严重限制企业发展。因此，在样坯处于临界状态时，试样的选取必须引起企业的重视。