不同曲率半徑的缺口對6xxx系鋁合金力學性能的影響

張 冰，韓 超，馬魁一，李朔東，倪 蕙

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金因為有比強度高、密度小、焊接性良好、耐腐蝕性好等諸多優點而被廣泛應用于航空航天、高速列車、飛機船舶、建筑等領域[1]。在實際生產中6063鋁合金和6005A鋁合金是應用較廣泛的6xxx系鋁合金，這是因為它們有塑性好、價格低、熱導率高、導電性好、力學性能好等優勢[2，3]。眾所周知，缺口的存在會影響金屬材料的彈性變形、塑性變形、斷裂過程，進而會產生應力應變集中、應力狀態改變、缺口強化等現象[4]。但在實際理化檢驗工作中，缺口試驗大多被應用于鋼鐵或復合材料[5，6]等領域，而很少被應用于鋁合金領域。通過查閱參考文獻可知缺口效應一般都會加強塑性材料的力學性能，而力學性能對于鋁合金產品的研發是十分重要的，因此對鋁合金做缺口試驗迫在眉睫。缺口試樣的制備對缺口試驗結果的精準度影響很大，特別是缺口的曲率半徑起到關鍵作用，而缺口效應對塑性金屬材料的影響主要分為兩個方面：1)對力學拉伸性能的影響；2)對斷口處斷裂形貌的影響。因此，本次試驗擬通過對不同曲率半徑6xxx系鋁合金缺口試樣進行力學拉伸性能試驗和金相組織試驗，得出不同曲率半徑缺口對試樣的力學拉伸性能、斷裂機制和缺口敏感性的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試樣的制備

試驗材料為同批號2.5mm厚度的6005A-T6鋁合金和同批號2.5mm厚度的6063-T6鋁合金，其化學成分見表1。

表1 合金化學成分(質量分數, %)

拉伸試樣缺口的曲率半徑共分為六種，拉伸試樣尺寸詳見圖1。每種類型缺口需制備3個試樣，試樣均沿板材的擠壓方向取料，缺口角度均為60 °。拉伸樣品制備時，確保缺口均位于拉伸試樣平行段中間位置。

圖1 拉伸試樣尺寸

1.2 試驗方法

1.2.1 拉伸性能試驗

本次試驗的參考標準為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，拉伸速度設置為1mm/min，原始標距為35mm。試驗設備為日本島津公司生產的電子萬能試驗機。

本次試驗6005A-T6鋁合金拉伸性能結果及其敏感系數qt實測值見表2。本次試驗6063-T6鋁合金拉伸性能結果及其敏感系數qt實測值見表3。

表2 6005A-T6拉伸性能及敏感系數qt結果

表3 6063-T6拉伸性能及敏感系數qt結果

1.2.2 微觀組織試驗

每種類型缺口需制備1個金相試樣進行斷口形貌分析。試驗設備為日本島津公司生產的掃描電鏡試驗機。

2 試驗結果分析

2.1 拉伸性能的結果與分析

圖2是6005A-T6的拉伸性能及敏感系數與缺口曲率半徑的關系。從圖2(a)可知，(1)有缺口試樣的屈服強度比無缺口試樣的屈服強度高，即缺口的存在會提高6xxx系鋁合金的屈服強度。這是因為缺口的存在改變了試樣的受力條件，即缺口的存在會造成應力應變的集中，使塑性材料得到強化，這是因為試樣軸向拉伸變形主要集中在截面積最小位置，其他區域的拉伸變形較小。在拉伸過程中，缺口邊緣周圍的材料會率先到達較高的應力水平，當集中應力達到材料的屈服強度時，缺口根部區域會發生較大塑性變形，提高鋁合金的強度, 但缺口的存在改變了缺口前方的應力狀態，使所受應力由原來的單向拉伸改變為兩向或三向拉伸。此外，缺口的存在會使試樣平行段截面積變小，即垂直于拉伸力方向可供塑性變形的比例減小，導致試樣在垂直于受力方向的塑性變形比無缺口試樣小許多，從而呈現鋁合金塑性降低的現象, 因此缺口效應會使鋁合金得到強化，塑性下降。(2)缺口試樣的屈服強度均集中在280MPa～284MPa。隨著缺口曲率半徑的改變，屈服強度變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣屈服強度的提高程度影響較小。

從圖2(b)可知，有無缺口試樣的抗拉強度相差較小。缺口試樣的抗拉強度均集中在303MPa～306MPa。由抗拉強度計算得出的缺口敏感系數qt均為0.97，如圖2(d)所示，敏感系數曲線呈一條直線，這說明縱向取樣時，曲率半徑為0.25mm～2.00mm的缺口呈現不敏感狀態。綜上兩點所述，說明缺口曲率半徑對試樣抗拉強度影響較小。從圖2(c)可知，缺口試樣伸長率均在4%～6%。隨著缺口曲率半徑的改變，斷后伸長率變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的斷后伸長率影響較小。無缺口試樣伸長率平均值為15.12%，綜上可知，缺口的存在會導致斷后伸長率下降，但伸長率的變化與缺口曲率半徑沒有關系。這是因為試樣最薄弱部分出現在缺口處，在拉伸過程中，應力主要集中在缺口處，金屬材料達到屈服后，缺口試樣的塑性變形明顯小于無缺口試樣，即強化效應約束了缺口處塑性變形。

圖2 6005A-T6的拉伸性能及敏感系數與缺口曲率半徑的關系

圖3是6063-T6的拉伸性能及敏感系數與缺口的曲率半徑的關系。從圖3(a)可知，(1)有缺口試樣的屈服強度比無缺口試樣的屈服強度高，這是由于缺口的存在改變了試樣的受力條件，引起了“缺口強化”現象，其原因與6005A-T6強化效應的形成原因相同。(2)缺口試樣的屈服強度均集中在229MPa～238MPa。隨著缺口曲率半徑的改變，屈服強度變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的屈服強度影響較小。從圖3(b)可知，有無缺口試樣的抗拉強度相差較小。缺口試樣的抗拉強度均集中在241MPa～249MPa之間。隨著缺口曲率半徑的改變，抗拉強度變化不明顯。由抗拉強度計算得出缺口敏感系數qt均接近于1，如圖3(d)所示。這說明縱向取樣時，曲率半徑在0.25mm～2.00mm之間的缺口呈現不敏感狀態。綜上兩點說明曲率半徑對缺口試樣的抗拉強度影響較小。從圖3(c)可知，缺口試樣伸長率均在6%～7%之間。隨著缺口曲率半徑的改變，斷后伸長率變化不明顯。這說明缺口曲率半徑對缺口試樣的斷后伸長率影響較小。無缺口試樣伸長率平均值為15.56%，與有缺口試樣伸長率相比差值較大。其原因與6005A-T6伸長率特征的形成原因相同。

圖3 6063-T6的拉伸性能及敏感系數與缺口曲率半徑的關系

6005A-T6拉伸試樣斷裂位置見圖4，6063-T6拉伸試樣斷裂位置見圖5。從圖4和圖5可知，(1)缺口試樣斷裂位置均為缺口處，這是因為缺口處是試樣的最小凈截面位置。隨著載荷的不斷增加，試樣最小凈截面損傷總量和損傷區域不斷累加，最終貫穿整個截面，導致試樣斷裂。(2)所有缺口試樣的頸縮現象均不明顯。據張文泉[4]等研究，缺口不同截面處塑性變形不均勻，缺口截面處的強化效應約束了塑性變形，其在一定程度上減弱了拉伸試驗中的頸縮現象。因此需要借助微觀組織分析斷口處是韌性斷裂還是脆性斷裂。

圖4 6005A-T6拉伸試樣斷裂位置

圖5 6063-T6拉伸試樣斷裂位置

2.2 微觀組織結果及分析

圖6是6005A-T6拉伸斷口形貌，圖7是6063-T6拉伸斷口形貌。從圖6和圖7可知，所有6005A-T6試樣和所有6063-T6試樣都是韌性斷裂。原因有兩點，(1)斷口處都有大小不一的韌窩出現；(2)韌窩大而深，這說明塑性變形充分，拉伸試樣的韌性非常好。前文中的拉伸性能數值也可證明拉伸試樣的塑性好。

圖6 6005A-T6拉伸試樣斷口形貌

圖7 6063-T6拉伸試樣斷口形貌

3 結論

(1)由于缺口強化效應，6xxx系鋁合金缺口試樣的屈服強度比無缺口試樣的屈服強度高。6xxx系鋁合金缺口曲率半徑對拉伸性能影響較小，其缺口敏感系數qt均接近于1，這說明沿縱向取樣時，曲率半徑在0.25mm～2.00mm之間的缺口呈現不敏感狀態。缺口的存在會起到強化鋁合金作用，但也會降低材料的塑性和伸長率。

(2)6xxx系鋁合金的缺口試樣均會在缺口處斷裂，其斷口形貌均為韌性斷裂。