高速列車用A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭高寒條件下的性能

陳輝剛

（濟南鐵路局青島機車車輛監造項目部，山東青島266111）

高速列車用A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭高寒條件下的性能

陳輝剛

（濟南鐵路局青島機車車輛監造項目部，山東青島266111）

以高速列車車體用A6N01S-T5鋁合金為研究對象，研究A6N01S-T5鋁合金及其焊接接頭在低溫條件下（-50℃～0℃）的力學及疲勞性能，為高寒條件下車輛運行及設計提供基礎數據。試驗結果表明，隨著溫度的降低，鋁合金材料的拉伸和疲勞性能均有所上升，在-50℃～0℃，母材的抗拉強度增長率為0.14 MPa/℃，焊接接頭為0.52 MPa/℃，母材的疲勞強度均提高約8.7％；焊接接頭在-40℃～0℃僅提高了1％，而在-50℃時提高了7.8％。

A6N01S-T5鋁合金；焊接接頭；高寒環境；力學性能

0 前言

A6N01S-T5鋁合金為6XXX系列高強鋁合金，因其具有優異的強度，成型性和可焊性好，而被廣泛應用于高速列車車體生產中。中國高速列車從高寒到熱帶，從沿海到戈壁，擁有最復雜的運營環境，經受著復雜的環境考驗。尤其是高寒地區冬季溫度可達-40℃，車輛運行自然條件極其惡劣。而當前車體用鋁合金材料高寒性能的數據資料卻鮮見報道，因此高寒列車的材料選取設計仍以常溫下材料的性能參數為依據，使得高速列車在高寒環境下的運行存在極大的安全隱患[1]。為解決以上問題，在此研究國產A6N01S-T5鋁合金在低溫（-50℃～0℃）下的力學及疲勞性能，分析低溫下力學性能與溫度的關系及低溫強化機理，為高速列車在高寒條件下的運行提供理論支撐，具有重要的應用價值。

1 試驗材料和方法

試驗用材料為國產A6N01S-T5鋁合金型材，化學成分如表1所示，供貨狀態T5（熱加工+自然失效），厚度3.5 mm。材料組織為基體α-Al和Mg2Si強化相組成，焊縫金屬為鑄態組織，呈等軸晶狀[2-3]。

A6N01S-T5鋁合金母材及焊縫微觀組織如圖1所示。采用直徑1.2 mm的ER5356焊絲進行焊接，化學成分如表1所示。

圖1 A6N01S-T5鋁合金母材及焊縫微觀組織

表1 A6N01S-T5鋁合金及ER5356焊絲化學成分％

根據GB/T13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗方法，在不同溫度條件下，對母材和接頭的拉伸性能進行測試。試驗在WDW3100微機控制電子萬能試驗機上進行，試樣在液氮中降溫至一定溫度后，保溫10 min進行試驗。根據JIS Z 2273-1978（金屬材料疲勞試驗方法通則）標準的要求，使用電-液伺服疲勞試驗機在不同溫度下（-50℃～0℃）測試試件疲勞性能，載荷種類為軸向拉伸，試驗應力比R= 0，試驗頻率80～120 Hz。疲勞試驗在恒溫高頻振動試驗機箱體（型號：JA-1260-D）中進行，疲勞試驗分別測試鋁合金母材和平滑的焊接接頭在不同應力級下的疲勞壽命。采用掃描電子顯微鏡SEM（JSM-6490LV）觀察疲勞試樣斷口微觀形貌。

2 試驗結果和分析

2.1 低溫拉伸性能

A6N01S-T5鋁合金在不同溫度條件下拉伸試驗結果見表2。A6N01S-T5鋁合金在0℃、-10℃、-30℃、-45℃條件下，其平均拉強度分別為279.3MPa、281.0 MPa、283.8 MPa、285.6 MPa，屈服強度分別為243.1 MPa、248.0 MPa、247.2 MPa、249.3 MPa，平均延伸率分別為8.4％、8.9％、9.3％、9％。

圖2a為A6N01S-T5鋁合金平均拉伸性能隨溫度的變化規律。由圖2a可知，隨著溫度的降低，其抗拉強度略有上升，可獲得擬合良好的線性關系：σb= 279.5-0.14T，即溫度每降低1℃，材料抗拉強度增加0.14 MPa；其屈服強度、延伸率在-45℃～0℃變化不明顯。試驗結果表明，A6N01S-T5鋁合金在-45℃～0℃下抗拉強度隨溫度的降低緩慢提升。

表2 A6N01S-T5鋁合金在不同溫度條件下拉伸試驗結果

表3為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度條件下拉伸試驗結果。圖2b為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度下平均抗拉強度及擬合曲線，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭平均抗拉強度在0℃、-10℃、-30℃、-45℃時，依次為188.7 MPa、200.1 MPa、202.5 MPa、214.2 MPa，曲線擬合公式為：σb=189.9-0.52T，即溫度每降低1℃材料抗拉強度增加0.52MPa；屈服強度分別為161.68MPa、173.17MPa、169.28MPa、179.88MPa，平均延伸率分別為6.7％、7.9％、7.3％、9.3％，所有試樣均斷裂在熱影響區。該結果表明，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭的抗拉強度隨溫度降低而增加。

圖2 A6N01S-T5鋁合金母材及焊接接頭平均拉伸性能隨溫度的變化規律

表3 A6N01S-T5鋁合金焊接接頭在不同溫度條件下拉伸試驗結果

2.2 低溫疲勞性能

不同溫度下A6N01S-T5鋁合金母材疲勞試驗數據擬合曲線如圖3所示，A6N01S-T5鋁合金在低溫0℃、-25℃、-40℃、-50℃條件下，其疲勞極限分別為122.77 MPa、131.69MPa、128.75MPa、131.27 MPa。結果表明，A6N01S-T5鋁合金材料在高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限高于0℃，但在該溫度區間內，疲勞極限變化不明顯。

在-25℃、190 MPa條件下，A6N01S-T5鋁合金疲勞斷口SEM形貌如圖4所示。一般而言，疲勞斷口分為疲勞源區、疲勞擴展區和疲勞瞬斷區三個區域[4]。但是本次試驗所用A6N01S-T5試樣的疲勞斷口，發現其斷裂源區特征不明顯，未見明顯光滑區域或有放射線匯聚或同心弧形條帶。也未見擴展區及擴展特征輝紋或條帶。整個斷口平整，以沿晶斷裂為主，呈冰糖狀斷口特征，局部區域發生穿晶斷裂，呈韌窩狀。

不同溫度下A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞試驗數據擬合曲線如圖5所示。A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞斷裂主要發生在焊縫區域，焊縫區為A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能的薄弱區域。在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭的疲勞極限分別為89.9 MPa、90.02 MPa、89.75 MPa、96.67 MPa，環境溫度在-40℃～0℃時，溫度對焊接接頭疲勞性能幾乎沒有影響，但在-50℃的溫度條件下，疲勞極限明顯上升。

選取-25℃、120 MPa試驗條件下A6N01S-T5鋁合金焊接平滑接頭疲勞斷口進行SEM觀察，如圖6所示。由圖6可知，疲勞斷口由疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區三部分組成。裂紋在試樣靠近近表面的地方形成，其后隨著裂紋的擴展，裂紋張口變大，裂紋逐漸稀疏，擴展速率加快，當裂紋擴展至材料的臨界裂紋長度時，材料瞬間斷裂，形成不平坦的粗糙表面，在靠近表面的區域呈斜斷口。裂紋源區可見放射狀條紋，整個疲勞裂紋擴展區存在疲勞輝紋，瞬斷區由韌窩組織組成，為典型疲勞斷口特征[5]。

鋁合金屬于面心立方結構（FCC），其位錯滑移系較多，位錯運動阻力隨溫度變化不敏感，故一般

不顯示低溫脆性。通過低溫拉伸試驗發現，A6N01ST5鋁合金在低溫0℃、-10℃、-30℃、-45℃條件下,其平均拉強度分別為279.3MPa、281.0MPa、283.8MPa、285.6 MPa，材料抗拉強度增加率為0.14 MPa/℃；屈服強度分別為243.1 MPa、248.0 MPa、247.2 MPa、249.3 MPa，幾乎不發生變化。這反映出A6N01S-T5鋁合金對高寒溫度并不太敏感。這是因為溫度對合金強度的影響是通過位錯與溶質原子或雜質交互作用引起的。金屬流變應力τ=τP+τS+τI+τJ+τD，是由τP點陣阻力、τS位錯應力場引起的阻力，τI位錯交截所產生的阻力，τJ形成割階時引起的阻力和τD點缺陷形成時的阻力共同決定。其中，τJ和τD為短程阻力，當溫度下降時晶格熱振動動能變小，位錯移動跨越勢壘所需的外力增大，即短程阻力隨溫度下降而增大[6-7]。一般而言，金屬流變阻力隨溫度降低而增加，但鋁合金屬面心立方結構，位錯寬度比較大，對溫度不敏感且溫度下降范圍區間較小（-50℃～0℃），不足以引起短程阻力大幅度提升，因此，A6N01ST5鋁合金在-50℃～0℃的低溫條件下材料拉伸性能隨溫度緩慢提升。

圖3 不同溫度條件下A6N01S鋁合金材料疲勞數據擬合曲線

圖4 -25℃，190 MPa條件下A6N01S-T5鋁合金疲勞斷口形貌

圖5 不同溫度條件下A6N01S鋁合金焊接接頭疲勞數據擬合曲線

圖6 -25℃、120 MPa條件下A6N01S鋁合金疲勞斷口形貌

通過低溫疲勞試驗發現，在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金疲勞極限為122.77 MPa、131.69 MPa、128.75 MPa、131.27 MPa，高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限高于0℃，但在該溫度區間內，其疲勞極限變化不明顯。這是因為低溫疲勞性能與低溫下疲勞裂紋的擴展速率相關。用空位吸收模型來解釋在低溫下鋁合金疲勞裂紋生長速度和溫度的關系，裂紋前端附近的應力梯度使得空位沿著位錯線擴散并被裂紋吸收，從而使得裂紋得以生長，空位的移動支配著裂紋的生長，低溫下疲勞裂紋擴展速率較室溫疲勞裂紋擴展速率低，因而低溫下的疲勞強度高于室溫疲勞強度。A6N01S-T5高寒條件下（-50℃～-25℃）的疲勞極限變化不明顯，這表明裂紋前端附近的應力變化在此范圍對溫度不敏感。

3 結論

以3.5 mm厚A6N01S-T5鋁合金母材及焊接接

頭為研究對象，開展了低溫條件下拉伸性能和疲勞性能測試，分析環境溫度對母材及接頭拉伸、疲勞性能的影響規律，得出主要如下結論：

（1）A6N01S-T5母材拉伸性能在-45℃～0℃范圍內，隨著溫度的降低緩慢升高，基本符合σb=279.5-0.14T的線性關系，即溫度每降低1℃，材料抗拉強度增加0.14 MPa。母材屈服強度沒有明顯規律性變化，延伸率隨著溫度降低而上升。

（2）A6N01S-T5焊接接頭拉伸性能在-45℃～ 0℃范圍內，隨著溫度的降低緩慢升高，基本符合σb= 189.9-0.52T的線性關系，即溫度每降低1℃，材料抗拉強度增加0.52 MPa。焊接接頭的屈服強度沒有明顯的規律性變化，延伸率隨溫度降低呈上升趨勢。

（3）A6N01S-T5鋁合金在0℃、-25℃、-40℃、-50℃條件下，其疲勞極限為122.77MPa、131.69MPa、128.75 MPa、131.27 MPa，達到118.3 MPa的設計要求，母材疲勞極限隨溫度降低而上升。

（4）在0℃、-25℃、-40℃、-50℃的溫度條件下，A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞極限分別為89.9 MPa、90.02 MPa、89.75 MPa、96.67 MPa，達到了89 MPa的設計要求，由于焊接缺陷等原因，溫度對焊接接頭疲勞強度的影響不是很明顯。

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Performance of the A6N01S-T5 aluminum alloy and the welding joint for high speed train at low temperature

CHEN Huigang
（Ji′nan Railway Administration，Qingdao 266111，China）

TakingA6N01S-T5 aluminumalloyused in high speed train as the research object，the research is focus on the tensile strength and fatigue strength of A6N01S-T5 aluminum alloyand the weldingjoint at lowtemperature（-50℃～0℃），provide basic information for vehicle operating at alpine conditions.The result showed that，with the decrease of temperature，the tensile strength and fatigue strength of A6N01S-T5 aluminumalloyand the weldingjoint both improved.Within-50℃～0℃，the growth rate oftensile strength ofbase metal was 0.14 MPa/℃while the welding joint was 0.52 MPa/℃.The fatigue strength of base metal improved about 8.7％，the fatigue strength of weldingjoint improved 1％at-40℃～0℃，while improved 7.8％at-50℃.

A6N01S-T5 aluminum alloy；welding joint；alpine conditions；mechanical property

TG406

A

1001－2303（2016）09－0077-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.18

2016-03-28

陳輝剛（1963—），男，山東膠南人，工程師，主要從事高速列車鋁合金車體監造等相關工作。