楊樂? 安豐柱 馬沖? 趙東

摘要：利用One Spark多通道直讀光譜儀、JSM-6300LA掃描電鏡、CMT5504電子萬能試驗(yàn)機(jī)對6063-T5鋁型材拉伸性能及斷口組織進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（1）對拉斷后的試件進(jìn)行分析，斷裂以剪切斷裂為主，斷口基本上與拉伸方向成45°。（2）工藝相同的兩種試件斷口形貌，組織細(xì)密、均勻的其拉伸性能指標(biāo)要高于組織疏松，空洞粗大的。

關(guān)鍵詞：GB5237，6063，鋁型材，拉伸性能，斷口。

1.前言

鋁型材作為建筑材料自上世紀(jì)60年代開始憑借其裝飾的多樣性及質(zhì)輕等優(yōu)良品質(zhì)，迅速得到了市場的認(rèn)可及推廣。作為鋁型材國家標(biāo)準(zhǔn)的5237系列，從1985版、1993版、2000版、2004版、2008版，經(jīng)過了多次修訂，鋁型材生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國際水平。鋁型材作為建筑門窗主要的材料，主要功能之一是承接玻璃自重和抵擋外界風(fēng)壓的能力，這對于鋁型材力學(xué)性能提出了很高的要求，同樣也是力學(xué)性能指標(biāo)經(jīng)歷多次國家標(biāo)準(zhǔn)修訂后一直作為強(qiáng)制性檢驗(yàn)項(xiàng)目的一個因素。

2.實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)試件均取自同一批次，化學(xué)成分相同、熱處理狀態(tài)相同、壁厚一致的鋁合金型材。試件采用多功能沖剪床設(shè)備先進(jìn)行剪切后沖壓方式制備，沖壓后將斷面用磨平設(shè)備打磨各斷面，后放置于室溫環(huán)境下自然時效，保證試件的統(tǒng)一性。試樣制備符合GB/T228.1-2010中P2比例試樣的要求，按照GB/T16865-1997的規(guī)定，采用縱向取樣的方式。利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速度為0.5mm/min。利用BAIRD One Spark多通道直讀光譜儀對拉斷試件進(jìn)行化學(xué)成分分析，利用JSM-6300LA型掃描電鏡（SEM）對拉斷試件的斷口進(jìn)行金相分析。通過宏觀分析，在相同的條件下，初步探討試件的斷口形貌與拉伸性能指標(biāo)之間的聯(lián)系。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1化學(xué)成分分析

表1

Element

Content Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Ⅰ號試件 0.33 0.15 0.01 0.04 0.56 0.03 0.07 0.01

Ⅱ號試件 0.32 0.13 0.01 0.03 0.54 0.02 0.06 0.01

標(biāo)稱值 0.20～0.6 ≤0.35 ≤0.10 ≤0.10 0.45～0.9 ≤0.10 ≤0.10 ≤0.10

表1為Ⅰ號試件與Ⅱ號試件的化學(xué)成分表，由表中可以看出，兩組試件的化學(xué)成分均符合GB/T3190標(biāo)準(zhǔn)的要求。一般來講，鋁型材拉伸性能主要依靠微量元素Mg、Si所形成的強(qiáng)化相Mg2Si來提高和加強(qiáng)。過剩Mg元素會降低主要強(qiáng)化相Mg2Si的固溶度[4]，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中都會添加適量鎂錠和硅錠來控制Mg：Si<1.73，并且保證一定量的過剩Si。過剩Si以AlFeSi、AlMnSi雜質(zhì)相和游離Si形態(tài)存在，有利于提高合金力學(xué)性能。Ⅰ號試件的Mg：Si為1.70，Ⅱ號試件的Mg：Si為1.69。文獻(xiàn)[1]指出，金屬基體組織是影響拉伸試件斷口形貌的內(nèi)在因素，因此我們可以分析認(rèn)為，宏觀的斷口形貌跟試件的拉伸性能指標(biāo)值存在著必然的聯(lián)系。

3.2拉伸性能分析

表2

抗拉強(qiáng)度/N/mm2 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度/N/mm2 斷后伸長率/%

Ⅰ號試件 258 242 12.0

Ⅱ號試件 230 210 10.0

標(biāo)稱值 160 110 8.0

表2為兩試件的拉伸性能指標(biāo)值，由表1可以看出，斷口形貌組織細(xì)密的Ⅰ號試件各項(xiàng)性能比組織粗大、孔洞多的Ⅱ號試件高很多。在拉伸過程中，是試件的彈性變形與塑性變形積累的過程，同時也是試件由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化的過程。在拉伸過程中，隨著荷載的不斷加大，試件的局部區(qū)域發(fā)生了頸縮，并伴隨著“噌噌”拉伸聲，這時表明試件進(jìn)入了塑性變形區(qū)。試件經(jīng)過塑性變形后，很快在標(biāo)距內(nèi)斷裂，斷口為杯錐形，兩試件中間部分呈細(xì)沙態(tài)和顆粒狀，兩組試件斷裂時斷口基本與拉伸方向成45°的斜斷斷口。

由于拉伸剪切的原因，兩側(cè)呈纖維狀，文獻(xiàn)[5]提到，當(dāng)斷裂過程中產(chǎn)生的塑性變形較大時，材料內(nèi)孔洞不易擴(kuò)張，促使局部剪切帶產(chǎn)生、擴(kuò)展，最終發(fā)生剪切斷裂。圖3為兩組試件拉斷后的SEM圖片。從圖2中可以看出 ，在30×下，Ⅰ號試件宏觀斷口組織細(xì)密，具有明顯的韌性斷裂特性，而Ⅱ號試件宏觀斷口相對粗糙，斷裂方式不太明顯。結(jié)合表1中可以發(fā)現(xiàn)，Ⅰ號試件與Ⅱ號試件拉伸性能指標(biāo)，斷口形貌細(xì)密的試件均高于組織疏松及孔洞的試件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在化學(xué)成分和熱處理狀態(tài)基本相同的情況下，斷口組織細(xì)密的試件其拉伸性能指標(biāo)要高于斷口組織粗大的試件，進(jìn)而可以初步判斷檢測試件的拉伸性能是否符合GB5237的強(qiáng)制性條款的要求。眾所周知，拉伸性能跟鋁型材試件的化學(xué)成分有直接的關(guān)系，一旦原材料的化學(xué)成分確定是否在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，基本便可推斷出力學(xué)性能指標(biāo)是否符合GB5237的技術(shù)要求。

（a）Ⅰ號30×斷口形貌

（b）Ⅱ號30×斷口形貌

圖2 試件斷口形貌（SEM）

Fig.2 Fracture morphology of specimens tensile strength （SEM）

4.結(jié)論

（1）工藝相同的兩種試件斷口形貌，組織細(xì)密、均勻的其拉伸性能指標(biāo)要高于組織疏松，空洞粗大的。

（2）對拉伸試件的斷口進(jìn)行分析，拉伸試件的斷裂以剪切斷裂為主。

5.參考文獻(xiàn)

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[6].朱浩，朱亮，陳劍虹.鋁合金在三種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能研究及斷口分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2006，32（6）：29～31.