鋁合金材料低溫力學性能試驗研究

朱炳麟，周 彬

（上海航天控制技術研究所 上海 201109）

0 引言

鋁合金材料是一種輕質結構材料，其具有較好的耐氧化和耐腐蝕性質的同時，具有質量輕、延展性好的金屬特性[1]。由于鋁合金材料的突出性能和廣泛的用途，其性能研究逐漸成為熱點話題。國內學者曹宇等[2]在用6013 鋁合金組織和性能的影響研究中，分析了鋁合金材料力學性能的影響因素，得到性能影響數據，并提出了改善建議，為鋁合金材料的發展提供了可靠依據。

現階段大多數研究是關于常溫環境下鋁合金材料的力學性能研究，但是現有關于鋁合金材料的低溫力學性能的理論有限，無法為鋁合金材料低溫力學性能改善提供有力依據，因此，本文提出鋁合金材料低溫力學性能試驗研究，通過制作5 種不同鋁含量的鋁合金材料試樣，針對低溫下該材料的力學性能進行對比和分析。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

此次試驗選取了5種常見的鋁合金材料作為試驗對象，見表1。

表1 鋁合金材料的化學成分表 單位：wt.%

試驗為鋁合金材料低溫下拉伸試驗，試驗設備主要為天津島津低溫電子設備生產有限公司生產的SHKIDAF/AS2F45A 型號拉伸試驗機，該設備主要由加載裝置、低溫裝置、恒溫裝置以及操作控制裝置4 部分組成。

1.2 試驗試件設計及制作

試驗使用6062-T6、6061-T6、6016-T6、6026-T6、6011-T6 5 種鋁合金材料制作試驗試件共100 根，由于此次試驗為拉伸試驗，因此，鋁合金材料試件制作成板材拉伸試樣[3]。因為金屬材料的中間和邊緣在試驗過程中受力結構不同，容易出現實驗誤差，因此，為了保證此次鋁合金材料低溫力學性能試驗結果的有效性和準確性，增加鋁合金試件拉伸部分的有效面積，將鋁合金試件設計成中間窄、兩邊寬的樣式，有效形成區域由中間向四周勻速擴展的弧形。鋁合金試件兩側扇形半徑為300 mm，中間寬度為150 mm，長度為450 mm。

采用模壓工藝制作鋁合金試件，涉及的機械設備為電阻爐，工具為鋁合金制作模具，其制作過程如下：首先準備模具，在鋁合金試件制作之前按照以上設計的鋁合金試件規格制作模具，模具的外形參數要比鋁合金試件設計參數大0.5 ～1 mm。使用干燥的麻布擦拭制作好的模具，保證模具內部沒有雜質和灰塵，并且在模具內部涂抹脫模劑，方便鋁合金試件脫模。模具準備好后，將電阻爐開關打開進行預熱，預熱時間為15 min，當爐內溫度達到100 ℃后，將鋁合金原料放入電阻爐內進行合金熔煉，控制電阻爐熔煉溫度在750 ℃，熔煉時間為45 min。熔煉時間在20 min 時，將Al-Sr 中間合金添入爐內，利用Al-Sr 對爐內熔漿進行變質處理，隨后將電阻爐內通入氬氣，并且進行精煉攪拌，攪拌時間不能小于10 min。然后將熔煉好的鋁合金金屬熔漿進行冷卻，待熔漿溫度下降到400 ℃后，將其重力澆筑到準備好的模具中，澆筑熔漿不能超過模具容積的0.1%，同時不小于模具容積的99%。最后將模具蓋蓋上，放入溫度為10 ℃的冷水中冷卻30 min，冷卻后將鋁合金試件進行脫模，以此完成鋁合金試件制作。

1.3 試驗方法及過程

在鋁合金材料拉伸試驗中，為了避免試驗結果受到鋁合金試件拉伸方法影響，保證試件在試驗中必須全截面受拉，外荷載垂直作用在試件截面上，產生均勻拉伸應力，試驗采用外夾式的拉伸方法，該方法使用兩塊夾持鋼板固定鋁合金材料試件，通過試件表面與夾持鋼板之間的摩擦力向鋁合金試件橫軸施加拉伸力。在拉伸試驗中，鋁合金試件表面出現斷裂現象時，停止拉伸，記錄相關數據，并且通過相機拍攝鋁合金試件斷裂面，利用250 kV 場發射掃描電子顯微鏡觀察鋁合金試件斷裂截面的微觀形貌，分析鋁合金材料低溫力學性能。

試驗過程：將制作好的鋁合金試件進行編號，按照GB/T105154-2008 的要求將制作好的鋁合金試件固定在SHKIDAF/AS2F45A 型號拉伸試驗機試驗平臺上，拉伸試驗機最大荷載為1 000 kN，調整拉伸試驗機加載端位移以釋放鋁合金試件上的初始應力，加載速率設定為0.02 mm/min，按照恒位移控制加載，在鋁合金試件的兩側安裝兩個變形引伸計，變形引伸計的量程為150 mm[4]。在拉伸試驗機低溫裝置中加入液氮，由拉伸試驗機操作控制液氮加入速度，低溫溫度分別為50 K、100 K、150 K、200 K、250 K，每個溫度恒定20 min[5]。在恒定時間內利用拉伸試驗機加載裝置拉伸鋁合金試件。記錄拉伸試驗機和拉伸變形計的數據，按照鋁合金試件編號進行分類管理，用于后續試驗結果分析。試驗中采用250 kV 場發射掃描電子顯微鏡觀察鋁合金試件斷面結構，250 kV 場發射掃描電子顯微鏡的分辨率設定為2 836×3 265，應變范圍設定為0.45%～250%，誤差范圍設定為≤0.2%，觀測面積設定為500 mm×500 mm，觀測點參數設定為45 萬。

2 結果

在拉伸試驗過程中，拉伸試驗機的自動采集系統獲取鋁合金材料在不同溫度環境下的拉伸強度數據，根據記錄的數據，計算鋁合金試件在低溫環境下的拉伸強度，其計算公式如下：

公式（1）中，s表示鋁合金試件的拉伸強度；e表示鋁合金試件表面出現斷裂時的最大載荷；k表示鋁合金試件的厚度；b表示鋁合金試件的彈性模量；h表示鋁合金試件的長度。利用上述公式計算每種鋁合金試件的拉伸強度，見圖1。

在鋁合金試件拉伸試驗中，通過觀察試件斷裂位置發現，大部分試件斷裂長度為5.5 ～15.5 mm，最大斷裂長度為32.6 mm。斷裂位置主要出現在鋁合金試件的中上部分，并且中間部位斷裂長度較大，數量較少，鋁合金試件的四周斷裂長度普遍較短，數量較多，斷裂延伸方向為由內向外。從裂紋的外觀分析，鋁合金試件斷裂的裂紋主要呈山脊狀花紋，通過顯微鏡觀察，鋁合金試件斷面存在大量的韌窩。根據裂紋走向情況以及斷裂裂紋的特征，鋁合金試件斷裂裂紋主要表現為延性斷裂和剪切斷裂兩種，鋁合金材料在拉伸試驗中瞬間加載應力超出了鋁合金材料的許用應力，表面出現該宏觀塑性變形和剪切變形。斷裂裂紋的衍生是鋁合金試件變形過程中低溫力學能力逐漸惡化的結果，其斷裂情況與材料的延伸性能有關，因此，每個鋁合金試件在拉伸試驗中，采用游標卡尺測量鋁合金試件拉斷后延伸率，見圖2。

為了更好地分析鋁合金材料的低溫力學性能，在拉伸試驗機的自動采集系統中獲取了鋁合金試件斷裂后的斷裂韌性數據，見表2。

表2 鋁合金材料在低溫下的斷裂韌性

以上為鋁合金試件低溫拉伸試驗結果，為后續鋁合金材料低溫力學性能分析提供數據依據。

3 討論

從鋁合金試件低溫拉伸試驗數據可知，不同鋁含量的鋁合金材料在試驗中體現不同的低溫力學特征。由圖1 可知，隨著鋁合金材料中鋁含量的增加，低溫拉伸強度逐漸提高，其中6016-T6 體現的抗拉性能最好，高出其他鋁合金材料的拉伸強度6.46%～14.68%；同時從表2 可知，6016-T6 在低溫拉伸試驗中體現的斷裂韌性力學性能也優于其他鋁合金材料，說明鋁合金材料的低溫拉伸力學性能和斷裂韌性力學性能受到鋁合金材料中鋁含量的影響。從低溫角度分析，無論何種鋁合金材料，其拉伸強度均隨著溫度的降低而降低。根據量子力學原理，金屬材料的屈服應力與環境溫度的關系可以用錯位理論來解釋，鋁合金材料在低溫環境下，金屬組織晶粒逐漸發生細化，受到外力拉伸作用的影響，鋁合金材料組織晶粒相互纏繞，發生強烈的交互作用，并且纏繞錯位呈現均勻性特征，因此，鋁合金材料隨著溫度的降低，其拉伸強度逐漸下降。

從圖2 數據可知，鋁合金材料隨著溫度的降低，延伸率逐漸降低，說明溫度對鋁合金材料延展性造成影響，其原因是鋁合金材料在低溫環境中硬性發生了改變，隨著溫度的降低，鋁合金材料的彈性模量減小。當溫度降低到一定數值時，鋁合金材料突破彈性階段，硬度得到提高，從而減小了延伸率[6]。利用顯微鏡觀察鋁合金材料在試驗中拉伸斷口，發現鋁合金材料在低溫環境下拉伸斷口是由韌窩和少量沿晶斷裂的冰糖狀晶體組成，并且隨著溫度的降低，拉伸斷口處的沿晶斷裂的冰糖狀晶體數量逐漸增多，韌窩逐漸減少。原本鋁合金材料結構由纖維狀晶體組成，受到溫度影響，原有的纖維狀晶體逐漸呈鏈狀分布，在外力拉伸作用下，這種鏈狀的晶體容易發生斷裂，因此，鋁合金材料的延伸率隨著溫度的降低而減小。

根據表2 可知，鋁合金材料的斷裂韌性隨著溫度的降低而提高，為了更好地分析溫度對鋁合金材料斷裂韌性力學性能的影響，通過顯微鏡觀察鋁合金材料裂紋，發現材料裂紋具有明顯的方向依存性，并且沿著晶界分層開裂，隨著溫度的降低，鋁合金材料表面的裂紋長度和深度逐漸減小，大裂紋數量也逐漸減小。但是隨著溫度的降低，鋁合金材料表面的小裂紋數量增多，其依附在大裂紋附近，鋁合金材料裂紋之間存在相互連接傳播的關系。其原因是低溫條件改變了鋁合金材料的脆性，溫度越低，材料的脆性越好，因此，在溫度逐漸降低時，鋁合金材料的斷裂韌性越高。

綜上所述，溫度因素影響鋁合金材料的力學性能，隨著溫度的降低，不同類型的鋁合金材料的拉伸強度力學性能存在差異，并且鋁合金材料在低溫環境下拉伸強度力學性能與溫度成正相關關系，斷裂韌性與溫度成負相關關系，基于此，完成鋁合金材料低溫力學性能試驗研究。

4 結語

本文通過試驗研究了鋁合金材料的低溫力學性能，并發現鋁合金材料的力學性能受溫度的影響。同時，低溫拉伸強度力學性能對鋁合金材料中鋁含量的依賴性較高，其在低溫環境下拉伸強度力學性能與溫度成正相關關系，斷裂韌性與溫度成負相關關系，因此，可以從鋁合金材料制作過程中的鋁含量入手，優化和改善鋁合金金屬低溫力學性能。