不同溫度下6005A-T4組織和力學研究

李秋梅，董劉穎，李有功，段英冶，苗承義

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金與鋼相比，具有導電性、耐腐蝕性、延展性好等優點，在建筑結構、國防軍工及家用電器中得到了越來越廣泛的應用[1-4]。目前，更多研究者對鋁合金室溫力學的性能行為研究較為深入，形成了比較完善的理論。但在高低溫兩種條件下，鋁合金材料表現出不同的性能。相比于鋼材低溫下容易脆斷的缺點，鋁合金在低溫條件下卻具有強度提高和韌性改善的優點[5，6]。鋁合金的使用環境不僅僅在室溫，如航天航空低溫貯箱和家用制冷電器用鋁材都在低溫工作，一些特殊工業領域、飛機和艦船等的某些零部件和結構件的使用溫度為-120℃～100℃[7,8]；而在高溫條件下，鋁合金的防火性能卻不及鋼材，隨著溫度的升高，鋁合金的強度和彈性模量下降明顯[9]。因此，為推廣鋁合金材料在極端條件下的應用以及在極端條件下對材料性能產生的利弊，有必要深入研究鋁合金在高低溫條件下的力學性能變化情況。

1 試驗方法

本試驗選用材料為6005A-T4鋁合金型材，其合金成分(質量分數，%)為，Si 0.65～0.75，Fe 0.20，Cu 0.20，Mn 0.30，Mg 0.45～0.65，Cr 0.20，Ti 0.10，Zn 0.10。采用Axio Imager.M2m型金相顯微鏡觀察組織形貌；在日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗機上進行-40℃、-20℃、20℃、100℃、200℃、300℃下力學性能測試；使用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌。

對于低溫試驗，按照規范GB/T13239-2006的要求，低溫力學規定時間范圍為-196℃～10℃；對于高溫試驗，按照規范GB/T228.2-2015的要求，高溫力學規定時間范圍為大于35℃。拉伸試驗是將板片拉伸試樣夾具放入高低溫箱中，低溫采用液氮冷卻，高溫試驗直接加熱，控溫儀控溫；將試樣預先放置到試驗機夾具上，待達到預設方案溫度后，保溫10min后立即開始拉伸試驗，每個溫度下，取3個試樣的平均值為測量結果。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖1為不同溫度下的6005A鋁合金型材的顯微組織形貌。從圖中可以看出，型材組織中均存在灰色和黑色的析出相，圖1(a)～圖1(e)中，在拉伸實驗短暫的加熱保溫過程中，微觀組織結構難以發生顯著的變化，組織形貌變化較小；圖1(f)中，黑色和灰色析出相長大，同時黑色析出相增多，析出相的聚集長大會對材料的性能產生不利影響。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

2.2 力學性能

6005A鋁合金型材在-40℃～300℃之間不同溫度拉伸試驗的力學性能結果，如圖2所示。在-40℃～300℃之間，型材的抗拉強度隨著溫度升高先升高后降低，屈服強度也呈現先增加后降低的趨勢。在高溫階段，溫度越高，型材性能損失的越嚴重。當溫度為-20℃，型材的屈服強度和抗拉強度達到最大。在-40℃～100℃之間，型材的屈服強度、抗拉強度降低的較少，直至溫度升高到200℃時，型材強度出現急速下降趨勢；當溫度達300℃時，型材強度降為最低，且屈服強度、抗拉強度相差較小，斷后伸長率最低；其他溫度下型材的斷后伸長率波動較小。

圖2 力學性能

圖3為6005A-T4鋁合金型材不同溫度下拉伸斷口的掃描電鏡照片。可知，斷口整體是由晶內韌窩和層狀沿晶斷口組成。拉伸試驗溫度低于室溫時，晶內韌窩尺寸較小，出現層狀沿晶斷口；隨著溫度升至100℃時，晶內韌窩尺寸增大且較深；隨著溫度升至200℃時，沿晶斷裂面上存在許多凹坑，呈現微孔聚集斷裂的特征，隨著溫度升高凹坑變大，說明塑性大幅度提高；當拉伸試驗溫度提高到300℃時，斷口中韌窩數量變少，型材的塑性降低。

(a)-40℃；(b)-20℃；(c)20℃；(d)100℃；(e)200℃；(f)300℃

由于基體中分布大量擠壓破碎的第二相粒子，與基體界面結合力弱，在拉伸變形時位錯在此塞積，開裂后形成韌窩。拉伸試驗溫度較低時，以沿晶開裂為主，低溫條件下合金在斷裂前經歷了更多的形變，除了韌窩數增多還在斷口中出現了分層現象，這些原因都會導致合金強度的提高。同時在低溫條件下會使得合金裂紋生長速率變慢，進而讓斷裂的發生變得困難，合金在強度提高的同時伸長率較室溫時還有所提升。拉伸試驗溫度較高時，由于韌窩尺寸變大、數量變少使得合金性能大大降低。

2.3 機理分析

溫度較低時原子運動較弱，這時位錯形成割階的阻力以及割階運動過程中所受阻力均增大，大部分位錯被彌散分布的析出相釘扎在晶內，因此形成了均勻的晶內位錯組態，意味著短程阻力的增強。對于具有面心立方結構的鋁合金來講，常溫條件下位錯的阻礙作用不強；當溫度降低時，點陣阻力增加，使得增大合金強度提高。由此可見，低溫條件下合金組織中的析出相與位錯之間會發生強烈的交互作用，而在室溫條件下大部分位錯滑出晶粒在晶界處塞積，析出相與位錯之間的交互作用不明顯。因此，隨著溫度的降低，流變阻力加大，導致金屬強度較室溫強度高，力學性能增強[10,11]。

隨著拉伸試驗溫度升高，伴隨晶內與晶界處時效強化相粗化、長大，間距變寬，強度值降低[12]。鋁合金在高溫下的斷裂形式仍為韌性斷裂。原子熱振動和擴散速度都加快，位錯就更容易發生滑移，不僅同一滑移面的異號位錯發生合并消失，而且在不同滑移面上的位錯更容易發生交滑移和攀移，異號位錯相互抵消，同號位錯相互重組，可以顯著降低晶粒內部位錯密度，減小了合金內部位錯運動的阻力，強度自然而然就會降低。

3 結論

(1)低溫情況下，在-40℃～20℃之間，型材力學性能變化較小，但低溫時強度均高于室溫(20℃)，斷后伸長率變化較小。高溫情況下，在100℃～300℃之間，型材的力學性能呈下降趨勢，當溫度為300℃時型材的斷后伸長率降低較多。

(2)低溫情況下，型材斷口韌窩數增多并出現了分層現象；高溫情況下，斷口中韌窩數量變少且出現空洞，強化相粗化、長大。