6061-T6鋁合金擠壓型材高溫拉伸性能及模型預測

吳海旭，楊 麗，耿慶濤，韓寶明，黃盛林

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系，因優異的力學性能，其擠壓系列型材被廣泛用于強度和耐蝕性能要求較高的航空航天、兵器工業、交通運輸等領域的工業型材和結構件[1-3]。6061合金在熱狀態下具有較好的可塑性，薄壁中空擠壓制品是其擠壓型材常見的一種形式[4-5]。但由于工作環境不同，因此需考慮型材在不同溫度下的性能變化[6]。

本文研究6061-T6鋁合金擠壓型材高溫力學性能，并對其斷口形貌進行分析。同時，以拉伸實驗結果為依據，建立合金抗拉強度、屈服強度和伸長率的預測模型，可為工程應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料為6061鋁合金擠壓型材，見圖1，熱處理狀態為T6，試樣厚度為3 mm，合金成分見表1。

圖1 6061-T6鋁合金空心擠壓型材

表1 試樣化學成分(質量分數，%)

1.2 實驗方案

將合金沿擠壓方向(縱向)加工成高溫拉伸試樣見圖2，采用AG-X 100KNH電子萬能試驗機進行拉伸試驗，選擇試驗溫度為：室溫(23 ℃)、100、200、300、400和500 ℃。試驗步驟為：試樣隨爐升溫，待爐溫達到試驗溫度后保溫10 min，然后取出試樣進行拉伸試驗。每個溫度條件下，至少取2次試驗的平均值為測試結果。利用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡對試樣拉伸斷口進行宏觀、微觀觀察。

2實驗結果

6061-T6鋁合金型材在23～500 ℃范圍內的抗拉強度、屈服強度、伸長率試驗結果和預測模型，如圖3～圖5所示。試樣拉伸曲線，如圖6所示；試樣在23～500 ℃條件下拉伸斷口的宏微形貌，見圖7。

圖2 高溫拉伸試樣

圖3 試樣抗拉強度實驗結果及預測模型

圖4 試樣屈服強度實驗結果及預測模型

圖5 試樣伸長率實驗結果及預測模型

圖6 合金試樣拉伸曲線

3 結果分析

從圖3～圖5可以看出，隨著溫度的升高，試樣的抗拉強度和屈服強度呈線性下降趨勢，而試樣的伸長率在室溫(23 ℃)～200 ℃范圍內變化不大；隨著溫度增加到300 ℃時，試樣的伸長率有所下降；當溫度繼續升高，試樣的伸長率顯著增加，見圖6。

從圖7中可以看出，室溫條件下，試樣斷口邊緣平齊鋒利，斷面大致呈45°，斷面上存在許多小而淺的韌窩和撕裂棱(見圖7(a)、7(b))；當溫度升高到300 ℃時，試樣斷口宏觀形貌粗糙，且斷口附近出現次裂紋，小韌窩數量減少，同時出現一些較大、較深的孔洞(見圖7(c)、7(d))；隨著溫度繼續上升至400 ℃時，試樣斷口附近次裂紋更加明顯(見圖7(e)、7(f))；溫度為500 ℃時，試樣拉伸斷口上的小韌窩基本消失，而以大尺寸孔洞為主(見圖7(g)、7(h))。

(a)、(b)23 ℃；(c)、(d)300 ℃；(e)、(f)400 ℃；(g)、(h)500 ℃

由上述分析可知，合金強度隨溫度的升高而下降，這主要歸因于：1)高溫條件下的合金原子自由能更高，彼此之間的結合力減弱，結合強度變低；2)高溫條件下，更多的滑移系得以移動，位錯的滑移、攀移路徑更加靈活，由位錯交割造成的硬化效果隨溫度升高而減弱；3)沉淀析出相發生聚集長大或重熔消失，對位錯滑移的阻礙作用減弱，沉淀強化效果降低。

合金伸長率隨著溫度的升高呈先降后升變化，這是由于：1)溫度升高，晶界弱化，合金晶粒之間的結合力降低，導致試樣在變形較小時發生斷裂；2)升高溫度的過程中，晶內更多的滑移系得以移動，晶粒變形更加容易，使合金塑形增加。在300 ℃左右時，因素1)起主導作用，因而合金伸長率降低；進一步提升拉伸溫度，因素2)發揮的作用更加明顯，合金伸長率顯著提高。

4 結論

在室溫(23 ℃)～500 ℃范圍內，隨著溫度的升高，6061-T6鋁合金擠壓型材的抗拉強度和屈服強度單調下降，而合金伸長率先降低，后增加；三者的變化規律可用以下3個數學模型進行擬合：

Rm=305.87+0.11649T-0.00176T2

-4.67776×10-6T3+1.07156×10-8T4

(1)

RP0.2=268.156+0.15727T-2.8895×10-4T2

-1.0138×10-5T3+1.60116×10-8T4

(2)

A=11.156-0.05847T+8.81805×10-4T2

-4.35219×10-6T3+6.44978×10-9T4

(3)