張紅香

摘要： 為了減少鋁合金管材的顯微孔洞，確保組織的連續(xù)性，使產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能滿足一定的使用要求，通過對不同批次、不同規(guī)格的鋁合金管材試樣進(jìn)行高倍組織試驗(yàn)，找出顯微孔洞的尺寸、分布對鋁合金管材力學(xué)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明，孔洞越密集或孔洞尺寸越大，鋁合金管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率越低。在實(shí)際生產(chǎn)中，分析空洞產(chǎn)生的原因，嚴(yán)格工藝操作規(guī)程，減少鋁合金管材顯微孔洞的產(chǎn)生，會有效改善產(chǎn)品的力學(xué)性能，滿足其使用要求。

關(guān)鍵詞： 顯微孔洞 鋁合金管材 試驗(yàn) 力學(xué)性能

中圖分類號： TG146.21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0097-05

金屬材料的組織是指用肉眼觀察或借助放大鏡、顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部的微觀形貌圖像，它是決定金屬材料性能的根本因素［1-2］。在生產(chǎn)生活中，人們都關(guān)心材料的使用性能，其中力學(xué)性能對材料的使用性能影響較大，材料的力學(xué)性質(zhì)主要是指材料受力時(shí)在強(qiáng)度、變形方面表現(xiàn)出來的性質(zhì)，包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等［3-5］。材料的組織與性能密切相關(guān)，組成相的數(shù)量、尺寸、形狀及分布等不同，材料的各項(xiàng)性能也不同，金屬材料的組織缺陷會對材料性能造成不同程度的影響［6］。顯微孔洞是利用顯微鏡觀察到的一種金相組織缺陷，呈一些圓形或者不規(guī)則的黑洞，它破壞了基體的連續(xù)性，在變形過程中造成應(yīng)力集中，會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重危害材料的使用性能［7-8］。

1 試驗(yàn)方案及試樣選擇

1.1 試驗(yàn)方案

鋁合金的顯微組織特征主要取決于合金的成分，對2A12CZ、7A60T651 兩種鋁合金的管材依據(jù)《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法-第1 部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 3246.1—2012）［9］取樣，按照《金相檢驗(yàn)規(guī)程》（QJ/XL 04.07（02）—2006）［10］要求進(jìn)行高倍試驗(yàn)，測量顯微孔洞的尺寸并觀察孔洞的分布情況，再對以上兩種合金按照《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣》（GB/T 16865—2013）［11］規(guī)定制取力學(xué)性能試樣，按照《金屬材料 室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T 228—2021）［12］進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，比較顯微孔洞尺寸及其分布不同的試樣對應(yīng)的力學(xué)性能，并與同一批次無顯微孔洞試樣的力學(xué)性能進(jìn)行比較，從而分析鋁合金管材顯微孔洞對力學(xué)性能的影響情況，得出不同尺寸、不同分布情況的顯微孔洞對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響程度。

1.2 試樣選擇

試驗(yàn)時(shí)，從實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品中選擇批號為00113批2A12CZ 鋁合金36×1.5 管材、06388 批7A60T651 鋁合金121.5×3.5 管材以及00693 批2A12CZ 鋁合金60×2.5 管材，分別截取200 mm 長的3 種產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試樣制取。

2 試驗(yàn)流程

根據(jù)《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1 部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 3246.1—2012）和《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣》（GB/T16865—2013）規(guī)定要求，用選取的3 個(gè)批次的2A12CZ合金36×1.5 管材、7A60T651 合金121.5×3.5 管材以及2A12CZ 合金60×2.5 管材的3 種產(chǎn)品試樣分別制取50 mm×20 mm 的金相高倍組織試驗(yàn)用扁平試樣和200 mm×13 mm 的力學(xué)性能試驗(yàn)用扁平試樣，進(jìn)行金相高倍組織試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)。

金相高倍組織試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1 部分：顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 3246.1—2012）規(guī)定要求選取鋁合金管材產(chǎn)品試樣，對試樣分別進(jìn)行研磨、拋光后，先用HF（2 mL）+HCl（3 mL）+HNO3 （5 mL）+H2O（190 mL）混合酸浸蝕，再用25% 的HNO3 溶液擦去浸蝕黑膜，最后用水和酒精棉擦拭處理后放置在NUM 型顯微鏡下觀察，測量顯微孔洞的尺寸并觀察其分布情況。具體操作所用設(shè)備、儀器、標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)流程按圖1 進(jìn)行。

力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣》（GB/T 16865—2013）規(guī)定要求制取試樣，將試樣分別在100KN-2-5T 拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉力試驗(yàn)。具體操作所用設(shè)備、儀器、標(biāo)準(zhǔn)及力學(xué)性能試驗(yàn)流程按圖2 進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)3 個(gè)批次的2A12CZ 合金36×1.5 規(guī)格管材、7A60T651 合金121.5×3.5 規(guī)格管材以及2A12CZ 合金60×2.5 規(guī)格管材這3 種鋁合金管材產(chǎn)品試樣金相高倍組織試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)，測量試驗(yàn)后的試樣顯微孔洞尺寸及分布情況，計(jì)算不同批次不同規(guī)格試樣對應(yīng)的力學(xué)性能，對比不同顯微孔洞尺寸及其不同孔洞分布情況所對應(yīng)試樣的力學(xué)性能，得出顯微孔洞對鋁合金管材產(chǎn)品試樣力學(xué)性能的影響情況。結(jié)果如表1 至表3 所示。

表1 至表3 中，3 種試驗(yàn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的力學(xué)性能關(guān)系從圖3 至圖5 的陡峭程度來體現(xiàn)更直觀，更能說明問題。

4 數(shù)據(jù)分析

比較表1 至表3 及圖3 至圖5，可以看出：有顯微孔洞與沒有顯微孔洞的鋁合金管材試樣的力學(xué)性能存在一定的差異；在同樣的面積中，顯微孔洞分布較密集的試樣對力學(xué)性能影響較明顯。由表1 至表3 可以看出：從1 號到6 號試樣，其抗拉強(qiáng)度Rm 和屈服強(qiáng)度Rp0.2整體上均呈下降趨勢，且在每2 500 μm2中約有20 個(gè)洞的下降趨勢大于每2 500 μm2 中約有15 個(gè)洞的下降趨勢。

從圖3 至圖5 的陡峭程度來看，圖3 中的抗拉強(qiáng)度Rm 和屈服強(qiáng)度Rp 0.2 下降趨勢線比圖4 中的下降趨勢線明顯要陡，由此看來，孔洞越密集，鋁合金管材的力學(xué)性能越低。從表1 與表3 可以看出，在同一合金中，孔洞的大小大多數(shù)分布在10 μm×5 μm至15 μm×15 μm 之間，其最大尺寸達(dá)30 μm×25 μm 時(shí)的最小抗拉強(qiáng)度Rm 為481.8MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2 為425.4 MPa；孔洞的大小多分布在10 μm×10 μm 至15 μm×15 μm之間，其最大尺寸達(dá)25 μm×20 μm 時(shí)，最小抗拉強(qiáng)度Rm 為490.3 MPa，屈服強(qiáng)度Rp 0.2為366.9 MPa。這說明孔洞的尺寸增大，會使鋁合金管材的力學(xué)性能降低，而且影響很明顯。

從圖3 到圖5 可以看出，1 號到3 號試樣抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的趨勢線基本趨于平直，且與沒有顯微孔洞鋁合金管材的力學(xué)性能基本處于同一水平線上，說明在鋁合金管材中顯微孔洞分布較稀疏、尺寸很小時(shí)，對鋁合金管材的力學(xué)性能影響也很小。

5 顯微孔洞的形成原因及改進(jìn)措施

5.1 形成原因

從實(shí)際生產(chǎn)來看，顯微孔洞的形成主要有兩種原因，一是鋁合金材料在鑄造時(shí)，由于空氣濕度，鑄件中會進(jìn)入氧、氮、氫3 種氣體，如果覆蓋劑覆蓋不良或熔煉溫度較高，這些氣體元素及其化合物就能夠溶解在熔融的鑄錠中。由于溶解的氣體會在金屬凝固時(shí)析出來，凝固收縮得不到液體的有效補(bǔ)充，所以它們在特定的條件下以分子狀態(tài)的單質(zhì)或復(fù)合氣體存在于鑄件中，并成為氣體雜質(zhì)，形成鑄態(tài)孔，從斷面上觀察，多呈現(xiàn)乳白色的小凹點(diǎn)；二是在固溶時(shí)，氣體填入金屬的晶體點(diǎn)陣間隙位置，形成間隙式固溶體，當(dāng)氣體含量超過固溶極限時(shí)，將形成氧化物、氮化物和氫化物等金屬化合物，彌散于晶粒內(nèi)或存在于晶界上，形成固溶孔［13-15］。

5.2 改進(jìn)措施

鑄件中鑄態(tài)孔的大小多少與鑄造時(shí)的氣體含量有關(guān)，合理配制覆蓋劑成分，如加大碳化物、鉻元素的含量阻止空氣中的氧、氮、氫3 種氣體進(jìn)入熔融的鑄錠中，能有效補(bǔ)償顯微孔洞的部分體積，有利于降低顯微孔洞的體積分?jǐn)?shù)。另外，鑄造速度也在很大程度上影響著鑄態(tài)孔的形成。鑄造時(shí)使溶液勻速成型，盡可能避免抽拉速度過大；在固溶熱處理中，控制合理的固溶熱處理工藝，避免溫度梯度過大，使合金中的元素避免不平衡擴(kuò)散和各相位的體積發(fā)生變化，減少各種化合物形成，就會有效預(yù)防孔洞的出現(xiàn)。

6 結(jié)語

顯微孔洞對鋁合金管材的力學(xué)性能有一定的影響?？锥丛矫芗?，鋁合金管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率越低；孔洞的尺寸越大，鋁合金管材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率也越低。在實(shí)際生產(chǎn)中，了解顯微孔洞的形成原因，提出以下改進(jìn)措施，例如：在鋁合金熔煉時(shí)，盡可能降低鋁合金液流的落差，平穩(wěn)操作，確保熔煉中覆蓋劑質(zhì)量及覆蓋工藝；加強(qiáng)除氣工作，保持爐體干燥，降低鑄造速度，提高鑄件冷卻速度，避免氣體進(jìn)入熔體，改變結(jié)晶方式，減少低熔點(diǎn)物質(zhì)的凝固收縮等。在實(shí)施上述措施同時(shí)，嚴(yán)格按照工藝操作規(guī)程進(jìn)行操作，盡可能減少鋁合金管材產(chǎn)品顯微孔洞的產(chǎn)生，避免孔洞尺寸增大，會有效改善產(chǎn)品的力學(xué)性能，滿足其使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 許德珠. 機(jī)械工程材料（金屬工藝學(xué)I）[M]. 北京：高等教育出版社，1993．

[2] 李世維，顧淑群. 機(jī)械基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2021.

[3] 李玉奇.LYl2R 鋁合金顯微孔洞成因研究[J]. 理化檢驗(yàn)物理分冊，2004，40（5）：229-230.

[4] 張青來，宋孚群，賀繼弘.高鎂鋁合金在噴射成形過程中顯微組織的變化[J].材料成形工藝，2004，22（2）：35-37.

[5] 宗紹迎，薛永軍. 熱固型浸滲劑在鋁合金薄壁鑄件上的應(yīng)用[J]. 鑄造技術(shù)，2018，39（12）：2779-2780.

[6] 龔海軍，米國發(fā)，王狂飛，等.ZL205 合金的組織與性能研究[J]. 熱加工工藝，2007，36（5）：5-6.

[7] 姜文，姚衛(wèi)星，王英玉. 鑄件中顯微孔洞特征及其對疲勞壽命影響的研究進(jìn)展[J]. 航空工程進(jìn)展，2019，10（4）：446-447.

[8] 李相偉，王莉，劉心剛，等.HRS 和LMC 工藝對第三代鎳基單晶高溫合金DD33 中顯微孔洞的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào)，2014，28（9）：656-657.

[9] 國家有色金屬工業(yè)局. 變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法-第1 部分：顯微組織檢驗(yàn)方法：GB/T3246.1—2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[10] 中國鋁業(yè)股份有限公司. 金相檢驗(yàn)規(guī)程：QJ/XL04.07（02）—2006[S].北京：中國鋁業(yè)股份有限公司制定，2006.

[11] 北京有色金屬研究總院. 變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣：GB/T 16865—2013[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[12] 鋼鐵研究總院. 金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法：GB/T228—2021[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.

[13] 何禹峰.單晶高溫合金中顯微孔洞的演變規(guī)律及對力學(xué)性能影響研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2022.

[14] 黃亞奇. 條紋晶和顯微孔洞的形成機(jī)理及其對單晶高溫合金力學(xué)性能的影響[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2020.

[15] 唐劍. 鋁合金熔煉與鑄造技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009.