6×××系鋁合金力學性能與硬度關系的分析

肖棟，杜永霞，楊云東，葉朋飛，王從昆

（南山鋁材公司，山東龍口265706）

6×××系鋁合金力學性能與硬度關系的分析

肖棟，杜永霞，楊云東，葉朋飛，王從昆

（南山鋁材公司，山東龍口265706）

針對影響鋁合金產品力學性能和硬度的因素以及抗拉強度與硬度之間的關系進行了探討，對產品的實際生產具有重要的指導意義。

鋁合金；力學性能；硬度

0 前言

6×××系鋁合金是以鎂和硅為主要合金元素并以Mg2Si相為強化相的鋁合金，具有良好的強度、可成形性和耐腐蝕性能，廣泛應用于汽車、船舶、航空等領域[1]。對于不同鋁合金產品具有不同的性能要求，一般要求鋁合金產品的抗拉強度、硬度（布氏硬度）同時達到合格標準。

1 影響鋁合金力學性能與硬度的因素

1.1 鋁合金鑄錠的化學成分

6×××系鋁合金是以Mg2Si為強化相的合金，因此首先應確定強化相的含量再確定Mg的含量。Mg是易燃金屬，熔煉操作時會有燒損，在確定Mg的控制范圍時要考慮燒損所帶來的誤差，但不能放寬，以免合金性能失控。

1.2 鋁合金鑄錠均勻化

均勻化處理可改善鑄坯的塑性，提高其工藝性能，改善制品組織異向性能，消除金屬內部的殘余應力。

1.3 鋁型材擠壓溫度與速度

具體擠壓溫度和速度應根據型材壁厚、擠壓特性和模具狀況等因素來適當調整，堅持高溫低速、低溫高速的擠壓原則。但出口溫度不得低于產品淬火溫度。

1.4 鋁型材淬火效果

淬火的目的是將合金快速冷卻至室溫，得到過飽和狀態的固溶體。一般來說，采用較快的淬火冷卻速度可以得到最高的強度以及強度和韌性的最佳組合，提高制品的腐蝕及應力腐蝕抗力[2]。而淬火敏感性與合金中主要強化相的含量成正比，合金中過剩Si、Cr、Mn的含量增加，其淬火冷卻速度也要相應提高[3、4]。因此，均勻良好的淬火效果可有效地提高產品的機械性能。

1.5 鋁型材的人工時效

2 抗拉強度與硬度之間的關系

2.1 鋁合金抗拉強度與硬度關系的提出

在實際工作中，為了同時滿足材料的抗拉強度與硬度要求，可以通過其抗拉強度與硬度的關系來控制其中一項指標而達到另一項指標的標準，而材料的硬度測量方法比較簡單，操作方便，可以用測量硬度來換算材料的抗拉強度。有不少文獻針對兩者關系進行了探討，但大多數適用于鋼鐵及鐵基合金，而針對鋁合金的文獻則比較少，文獻[5]給出了一個近似的表達式：

布氏硬度與維氏硬度很接近，根據布氏硬度（HB）與維氏硬度（HV）的經驗換算關系，將換算結果與國家標準換算值對照，換算誤差大約在6HV以下，該換算公式為：

注：此經驗公式中布氏硬度與維氏硬度的單位要一致，單位為N/mm2。

通過以上公式找到抗拉強度與布氏硬度的關系式，如下式所示：

2.2 實驗材料及方法

2.2.1 實驗原理

硬度是衡量材料軟硬程度的性能指標，是表征材料的彈性、塑性、形變強化率、強度和韌性等一系列不同性能組合的一種綜合性能指標。布氏硬度是根據壓痕單位表面積上的載荷大小來計算硬度值，它不適合測定硬度較高的材料，布氏硬度（HB）=載荷力（F）/壓痕球形表面積（）。鋁合金硬度一般是用布氏硬度表示。

2.2.2 實驗材料與儀器

實驗材料選取本公司生產的牌號為6061、6063、6005A鋁合金型材，其化學成分如表1所示。利用北京時代生產的型號THB-3000D布氏硬度試驗機測試布氏硬度，施加的載荷力為250kgf。另外，利用濟南思達測試技術有限公司生產的型號為WDW-300的萬能試驗機進行拉伸試驗。

表1 常見6xxx系鋁合金的化學成分（質量分數/%）

2.3 實驗結果與分析

2.3.1 抗拉強度與硬度的關系

由表2誤差數據可知，抗拉強度的計算值與實測值的誤差最大為5.8%，范圍最大在±3.0%之間；布氏硬度計算值與實測值的最大誤差為5.6%，范圍最大在±2.5%之間。

表2 常見6xxx系鋁合金試樣抗拉強度與布氏硬度的計算值與實測值的比較

圖1 抗拉強度與布氏硬度計算值與實測值的比較

2.3.2 抗拉強度與硬度關系式準確性的驗證

為了進一步驗證抗拉強度與硬度關系式的準確性，結合實際生產與《實用五金手冊》，將鋁合金布氏硬度范圍值（80HB～100HB）[6]帶入方程，得到的數據與真實值進行對比，對其準確性進行驗證，并求出誤差，如表3所示。

抗拉強度的計算值與實測值的誤差最大為4.4%；布氏硬度計算值與實測值的最大誤差為4.6%，由此可見計算值與實測值相差不大，證明建立的抗拉強度與硬度關系式可靠。

表3 鋁合金硬度與抗拉強度換算值

3 結論

（1）影響6×××系鋁合金力學性能與硬度的因素主要有：鑄錠的化學成分、鑄錠均勻化處理、型材擠壓溫度與速度、型材淬火效果、型材人工時效。

（2）將公式σb≈3.234×1.053HB計算得到的結果與實測值進行對比，理論抗拉強度與實際抗拉強度誤差范圍在±3%，由公式反推得到的理論布氏硬度與實際布氏硬度誤差范圍在±2.5%。此次試驗結果證明該公式誤差在可接受范圍內，對實際生產有指導意義。

（3）結合其他工業材公司參考《實用五金手冊》技術研究的結果，參數中的布氏硬度范圍值證明建立的抗拉強度與硬度關系式是可靠的。

[1]Hao ZHONG,Paul POMETSCH,Yuri ESTRIN.Effect of alloy composition and heat treatment on mechanical performance of 6xxx aluminum alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24:2174-2178

[2]肖亞慶.鋁加工技術實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2004，（10）：707

[3]吳錫坤.鋁型材加工實用技術手冊[M].長沙：中南大學出版社，2006，（6）：474

[4]李彩文，潘學著，劉露露，等.在線淬火對6061、6005鋁合金型材組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2010,6（6）：59-62

[5]張玉庭.簡明熱處理工手冊（第2版）[M].北京：機械工業出版社，1998.872

[6]張絲雨.最新金屬材料牌號、性能、用途及中外牌號對照速用速查五金手冊[M].北京：中國科技文化出版社，2005，(1):219-220

Analysis of Relationship between Mechanical Properties and Hardness of 6×××Series Aluminum Alloy

XIAO Dong,DU Yong-xia,YANG Yun-dong,YE Peng-fei,WANG Cong-kun
(Nanshan Aluminum Profile Company,Longkou 265706,China)

The factors influencing the mechanical properties and hardness of aluminum alloy products and the relationship between the tensile strength and hardness were discussed in the paper,which has important practical guiding significance to the production.

aluminum alloy;mechanical properties;hardness

TG146.21

A

1005-4898(2017)03-0050-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.11

肖棟（1984-），男，山東龍口人，工程師。

2017-04-10