不同温度下6005A-T4组织和力学研究

2021-10-20李秋梅董刘颖李有功段英冶苗承义

有色金属加工 2021年5期

李秋梅，董刘颖，李有功，段英冶，苗承义

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

铝合金与钢相比，具有导电性、耐腐蚀性、延展性好等优点，在建筑结构、国防军工及家用电器中得到了越来越广泛的应用[1-4]。目前，更多研究者对铝合金室温力学的性能行为研究较为深入，形成了比较完善的理论。但在高低温两种条件下，铝合金材料表现出不同的性能。相比于钢材低温下容易脆断的缺点，铝合金在低温条件下却具有强度提高和韧性改善的优点[5，6]。铝合金的使用环境不仅仅在室温，如航天航空低温贮箱和家用制冷电器用铝材都在低温工作，一些特殊工业领域、飞机和舰船等的某些零部件和结构件的使用温度为-120℃～100℃[7,8]；而在高温条件下，铝合金的防火性能却不及钢材，随着温度的升高，铝合金的强度和弹性模量下降明显[9]。因此，为推广铝合金材料在极端条件下的应用以及在极端条件下对材料性能产生的利弊，有必要深入研究铝合金在高低温条件下的力学性能变化情况。

1 试验方法

本试验选用材料为6005A-T4铝合金型材，其合金成分(质量分数，%)为，Si 0.65～0.75，Fe 0.20，Cu 0.20，Mn 0.30，Mg 0.45～0.65，Cr 0.20，Ti 0.10，Zn 0.10。采用Axio Imager.M2m型金相显微镜观察组织形貌；在日本岛津AG-X100KN型电子万能试验机上进行-40℃、-20℃、20℃、100℃、200℃、300℃下力学性能测试；使用SSX-550型扫描电镜(SEM)观察拉伸试样的断口形貌。

对于低温试验，按照规范GB/T13239-2006的要求，低温力学规定时间范围为-196℃～10℃；对于高温试验，按照规范GB/T228.2-2015的要求，高温力学规定时间范围为大于35℃。拉伸试验是将板片拉伸试样夹具放入高低温箱中，低温采用液氮冷却，高温试验直接加热，控温仪控温；将试样预先放置到试验机夹具上，待达到预设方案温度后，保温10min后立即开始拉伸试验，每个温度下，取3个试样的平均值为测量结果。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图1为不同温度下的6005A铝合金型材的显微组织形貌。从图中可以看出，型材组织中均存在灰色和黑色的析出相，图1(a)～图1(e)中，在拉伸实验短暂的加热保温过程中，微观组织结构难以发生显著的变化，组织形貌变化较小；图1(f)中，黑色和灰色析出相长大，同时黑色析出相增多，析出相的聚集长大会对材料的性能产生不利影响。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

2.2 力学性能

6005A铝合金型材在-40℃～300℃之间不同温度拉伸试验的力学性能结果，如图2所示。在-40℃～300℃之间，型材的抗拉强度随着温度升高先升高后降低，屈服强度也呈现先增加后降低的趋势。在高温阶段，温度越高，型材性能损失的越严重。当温度为-20℃，型材的屈服强度和抗拉强度达到最大。在-40℃～100℃之间，型材的屈服强度、抗拉强度降低的较少，直至温度升高到200℃时，型材强度出现急速下降趋势；当温度达300℃时，型材强度降为最低，且屈服强度、抗拉强度相差较小，断后伸长率最低；其他温度下型材的断后伸长率波动较小。

图2 力学性能

图3为6005A-T4铝合金型材不同温度下拉伸断口的扫描电镜照片。可知，断口整体是由晶内韧窝和层状沿晶断口组成。拉伸试验温度低于室温时，晶内韧窝尺寸较小，出现层状沿晶断口；随着温度升至100℃时，晶内韧窝尺寸增大且较深；随着温度升至200℃时，沿晶断裂面上存在许多凹坑，呈现微孔聚集断裂的特征，随着温度升高凹坑变大，说明塑性大幅度提高；当拉伸试验温度提高到300℃时，断口中韧窝数量变少，型材的塑性降低。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

由于基体中分布大量挤压破碎的第二相粒子，与基体界面结合力弱，在拉伸变形时位错在此塞积，开裂后形成韧窝。拉伸试验温度较低时，以沿晶开裂为主，低温条件下合金在断裂前经历了更多的形变，除了韧窝数增多还在断口中出现了分层现象，这些原因都会导致合金强度的提高。同时在低温条件下会使得合金裂纹生长速率变慢，进而让断裂的发生变得困难，合金在强度提高的同时伸长率较室温时还有所提升。拉伸试验温度较高时，由于韧窝尺寸变大、数量变少使得合金性能大大降低。

2.3 机理分析

温度较低时原子运动较弱，这时位错形成割阶的阻力以及割阶运动过程中所受阻力均增大，大部分位错被弥散分布的析出相钉扎在晶内，因此形成了均匀的晶内位错组态，意味着短程阻力的增强。对于具有面心立方结构的铝合金来讲，常温条件下位错的阻碍作用不强；当温度降低时，点阵阻力增加，使得增大合金强度提高。由此可见，低温条件下合金组织中的析出相与位错之间会发生强烈的交互作用，而在室温条件下大部分位错滑出晶粒在晶界处塞积，析出相与位错之间的交互作用不明显。因此，随着温度的降低，流变阻力加大，导致金属强度较室温强度高，力学性能增强[10,11]。

随着拉伸试验温度升高，伴随晶内与晶界处时效强化相粗化、长大，间距变宽，强度值降低[12]。铝合金在高温下的断裂形式仍为韧性断裂。原子热振动和扩散速度都加快，位错就更容易发生滑移，不仅同一滑移面的异号位错发生合并消失，而且在不同滑移面上的位错更容易发生交滑移和攀移，异号位错相互抵消，同号位错相互重组，可以显著降低晶粒内部位错密度，减小了合金内部位错运动的阻力，强度自然而然就会降低。