6005A合金擠壓型材壓潰性能研究

曹東升，姜 珊，何 金，楊志勇，馮小東

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

在汽車工業中，薄壁梁是組成汽車車身結構的重要零部件，在車身安全結構中起著重要作用。薄壁梁結構的吸能變形行為是車身設計的關鍵，其載荷峰值不能超過后端結構的承載極限[1-2]。鋁合金具有比鋼更高的吸能性及變形穩定性，是汽車輕量化的理想材料。其中6×××系鋁合金由于具有較好的加工性能和較高的韌性且強度適中，被廣泛應用在汽車吸能盒和縱梁等部件上[3-4]。

本文主要針對6005A系鋁合金乘用車用縱梁型材，研究不同截面形狀、時效制度對其壓潰性能的影響，為優化縱梁型材壓潰性能提供理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為我公司生產的6005A鋁合金擠壓型材，合金成分見表1。根據實際生產經驗選取3種不同截面形狀（田字形、八邊形和日字形截面） 的6005A 合金進行壓潰對比試驗，使用31.5MN 擠壓機進行擠壓。表2為型材擠壓工藝信息。擠壓完成后對3種斷面分別采用3組不同的制度進行時效，即欠時效、峰值時效及過時效，具體時效制度及試樣編號見表3。1-1試樣為1號斷面時效處理155℃×8h所得試樣，1-2試樣為1號斷面時效處理185℃×7h所得試樣，1-3試樣為1號斷面時效處理220℃×2.5h所得試樣，其他試樣編號以此類推。

表1 6005A合金化學成分（質量分數/%）

表2 型材擠壓相關參數

表3 時效制度及試樣編號

完成時效處理后截取拉伸試樣及壓潰試樣，分別在AG-X 100kN H電子萬能試驗機和2000kN電液伺服壓力試驗機上進行力學性能和壓潰檢測。對比3種斷面經過不同時效制度后的力學及壓潰性能。

2 試驗結果及分析

3種截面（田字形、八邊形和日字形）在不同時效制度下測得的力學性能如圖1所示。圖2為各試樣對應的壓潰效果圖。

2.1 時效制度對鋁合金壓潰性能的影響

由圖2可知，1號田字形斷面在過時效制度下潰縮良好，表面無裂紋，試樣整體形成了多個完整褶皺，能量有效吸收并均勻傳遞，壓潰效果較好；而在欠時效及峰值時效狀態下則變形不均勻，有開裂現象，壓潰效果較差。2號八邊形斷面隨著時效制度的加強，潰縮效果越來越好，褶皺層次越來越分明。欠時效時吸能較集中，有細小裂紋，壓潰效果欠佳；峰值時效狀態下壓潰試樣凸起變小，易裂風險降低；過時效的褶皺較為有層次，能量逐層傳遞。3號日字形斷面在3種時效制度處理后進行壓潰，所得褶皺均未嚴重開裂，但兩側明顯受力不均，在3種時效制度下該試樣都有不同程度的潰縮偏移。各試樣壓潰吸能數據見表4。

總之，同一型材在過時效（220℃×2.5h）狀態下壓潰效果較好，試樣表面褶皺完整無裂紋，層疊均勻，吸收能量及能夠承受的最大載荷均高于欠時效及峰值時效，受壓潰力作用時試樣能有效吸能，將外力所做的功轉化為變形能。因此可知，汽車薄壁縱梁型材采用過時效制度時其壓潰吸能效果最佳。

表4 壓潰吸能數據

2.2 截面形狀對鋁合金壓潰性能的影響

型材截面形狀不同壓潰效果也存在較大差異。由圖2可知，1號田字形斷面內腔中有四根筋，內筋起到分散壓潰力且吸能的作用，能量能夠通過內筋持續傳遞，型材具有較好的變形抗力；2號八邊形斷面由于棱邊較多，能從多方向分擔壓潰力，變形更加均勻，不易產生裂紋；3號日字形斷面在壓潰過程中易產生偏移，變形不均勻。

由表4可知，試樣1-3吸收能量為17284.8J，最大載荷246793N，為9個試樣中壓潰效果最好的截面。對比不同截面形狀壓潰效果圖可知，截面形狀對壓潰性能有較大影響，直接決定受到撞擊力后能量的傳遞與吸收，因此優化汽車縱梁截面設計至關重要。田字形及八邊形吸收能量較大，具有較好的抗撞擊能力。其中1號田字形截面在過時效狀態下所得的1-3試樣經壓潰后，褶皺最多且均勻，吸能最多，壓潰效果最好，最適合作為汽車薄壁梁型材。

2.3 力學性能與壓潰效果的關聯性

結合圖1和圖2可知，1、2號斷面在過時效狀態下的抗拉強度、屈服強度均較小，斷后延伸率較好，壓潰效果較好，潰縮褶皺均勻且不開裂。由此可知，同一合金其力學性能的不同對壓潰效果有一定影響。

欠時效狀態下，強化相β相析出不充分，對位錯運動的阻礙較弱，型材表現為較低強度，較高塑性；峰值時效時，β相顆粒彌散析出較多，對位錯阻礙作用加強，故強度大幅度提高。但當時效溫度繼續升高，達到過時效狀態時，原本彌散析出的β相顆粒聚集長大的趨勢增大，長大的β相削弱了其對位錯運動的阻礙作用，導致型材力學性能下降。研究證明，適當的過時效處理后，材料組織和零件尺寸的穩定性將大幅度提升[5]。然而當過時效嚴重時，6005A縱梁型材的綜合力學性能會明顯下降。

由試驗結果可知，對于汽車用6005A吸能型材而言，當強度較大、斷后延伸率較小時，吸能效果較差，受撞擊后型材容易沿邊角處開裂，無法保證車體受碰撞時吸收能量，保護車內人員安全。故汽車縱梁型材需要具有較好的綜合力學性能，當受到撞擊時，薄壁梁能夠逐層變形吸能但不向內占據更多空間，沖擊力能夠沿車身均勻傳遞，避免對車內造成沖擊擠壓，從而保護人員安全。作為汽車薄壁梁型材，6005A合金經220℃×2.5h時效處理后其綜合力學性能較好，吸能效果達到最佳狀態。

3 結論

（1）同一型材在過時效（220℃×2.5h）制度下的綜合力學性能較好，壓潰吸能效果強于欠時效及峰值時效狀態。

（2）型材的截面形狀不同壓潰效果也不同。田字形6005A型材壓潰吸能效果較好，因其能量可有效傳遞，褶皺均勻，棱邊不開裂，故較適合用作汽車縱梁，減緩沖擊力傷害，保護車內人員安全。

（3）型材的力學性能對壓潰效果的影響也較大。當強度較大、斷后延伸率較小時，型材受撞擊易開裂，吸能較差；當強度適中，斷后延伸率較好即韌性好時，其相應的壓潰吸能效果較好。