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6063—T5铝型材拉伸实验研究

2015-10-21杨乐安丰柱马冲赵东

建筑工程技术与设计 2015年29期
关键词:断口性能指标形貌

杨乐? 安丰柱 马冲? 赵东

摘要:利用One Spark多通道直读光谱仪、JSM-6300LA扫描电镜、CMT5504电子万能试验机对6063-T5铝型材拉伸性能及断口组织进行了研究。实验结果表明,(1)对拉断后的试件进行分析,断裂以剪切断裂为主,断口基本上与拉伸方向成45°。(2)工艺相同的两种试件断口形貌,组织细密、均匀的其拉伸性能指标要高于组织疏松,空洞粗大的。

关键词:GB5237,6063,铝型材,拉伸性能,断口。

1.前言

铝型材作为建筑材料自上世纪60年代开始凭借其装饰的多样性及质轻等优良品质,迅速得到了市场的认可及推广。作为铝型材国家标准的5237系列,从1985版、1993版、2000版、2004版、2008版,经过了多次修订,铝型材生产技术及产品质量达到了国际水平。铝型材作为建筑门窗主要的材料,主要功能之一是承接玻璃自重和抵挡外界风压的能力,这对于铝型材力学性能提出了很高的要求,同样也是力学性能指标经历多次国家标准修订后一直作为强制性检验项目的一个因素。

2.实验方法及设备

本次实验试件均取自同一批次,化学成分相同、热处理状态相同、壁厚一致的铝合金型材。试件采用多功能冲剪床设备先进行剪切后冲压方式制备,冲压后将断面用磨平设备打磨各断面,后放置于室温环境下自然时效,保证试件的统一性。试样制备符合GB/T228.1-2010中P2比例试样的要求,按照GB/T16865-1997的规定,采用纵向取样的方式。利用电子万能试验机对试件进行拉伸性能测试,拉伸速度为0.5mm/min。利用BAIRD One Spark多通道直读光谱仪对拉断试件进行化学成分分析,利用JSM-6300LA型扫描电镜(SEM)对拉断试件的断口进行金相分析。通过宏观分析,在相同的条件下,初步探讨试件的断口形貌与拉伸性能指标之间的联系。

3.实验结果

3.1化学成分分析

表1

Element

Content Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

Ⅰ号试件 0.33 0.15 0.01 0.04 0.56 0.03 0.07 0.01

Ⅱ号试件 0.32 0.13 0.01 0.03 0.54 0.02 0.06 0.01

标称值 0.20~0.6 ≤0.35 ≤0.10 ≤0.10 0.45~0.9 ≤0.10 ≤0.10 ≤0.10

表1为Ⅰ号试件与Ⅱ号试件的化学成分表,由表中可以看出,两组试件的化学成分均符合GB/T3190标准的要求。一般来讲,铝型材拉伸性能主要依靠微量元素Mg、Si所形成的强化相Mg2Si来提高和加强。过剩Mg元素会降低主要强化相Mg2Si的固溶度[4],因此在实际生产过程中都会添加适量镁锭和硅锭来控制Mg:Si<1.73,并且保证一定量的过剩Si。过剩Si以AlFeSi、AlMnSi杂质相和游离Si形态存在,有利于提高合金力学性能。Ⅰ号试件的Mg:Si为1.70,Ⅱ号试件的Mg:Si为1.69。文献[1]指出,金属基体组织是影响拉伸试件断口形貌的内在因素,因此我们可以分析认为,宏观的断口形貌跟试件的拉伸性能指标值存在着必然的联系。

3.2拉伸性能分析

表2

抗拉强度/N/mm2 规定非比例延伸强度/N/mm2 断后伸长率/%

Ⅰ号试件 258 242 12.0

Ⅱ号试件 230 210 10.0

标称值 160 110 8.0

表2为两试件的拉伸性能指标值,由表1可以看出,断口形貌组织细密的Ⅰ号试件各项性能比组织粗大、孔洞多的Ⅱ号试件高很多。在拉伸过程中,是试件的弹性变形与塑性变形积累的过程,同时也是试件由弹性变形向塑性变形转化的过程。在拉伸过程中,随着荷载的不断加大,试件的局部区域发生了颈缩,并伴随着“噌噌”拉伸声,这时表明试件进入了塑性变形区。试件经过塑性变形后,很快在标距内断裂,断口为杯锥形,两试件中间部分呈细沙态和颗粒状,两组试件断裂时断口基本与拉伸方向成45°的斜断断口。

由于拉伸剪切的原因,两侧呈纤维状,文献[5]提到,当断裂过程中产生的塑性变形较大时,材料内孔洞不易扩张,促使局部剪切带产生、扩展,最终发生剪切断裂。图3为两组试件拉断后的SEM图片。从图2中可以看出 ,在30×下,Ⅰ号试件宏观断口组织细密,具有明显的韧性断裂特性,而Ⅱ号试件宏观断口相对粗糙,断裂方式不太明显。结合表1中可以发现,Ⅰ号试件与Ⅱ号试件拉伸性能指标,断口形貌细密的试件均高于组织疏松及孔洞的试件。实验结果表明,在化学成分和热处理状态基本相同的情况下,断口组织细密的试件其拉伸性能指标要高于断口组织粗大的试件,进而可以初步判断检测试件的拉伸性能是否符合GB5237的强制性条款的要求。众所周知,拉伸性能跟铝型材试件的化学成分有直接的关系,一旦原材料的化学成分确定是否在标准要求范围之内,基本便可推断出力学性能指标是否符合GB5237的技术要求。

(a)Ⅰ号30×断口形貌

(b)Ⅱ号30×断口形貌

图2 试件断口形貌(SEM)

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

4.結论

(1)工艺相同的两种试件断口形貌,组织细密、均匀的其拉伸性能指标要高于组织疏松,空洞粗大的。

(2)对拉伸试件的断口进行分析,拉伸试件的断裂以剪切断裂为主。

5.参考文献

[1].谬建红,丁锦坤.金属拉伸试样断口分析方法[J].物理测试,2000(3):36~40.

[2].王莉.Al-Mg合金的组织及力学性能[J].轻合金加工技术,2005,33(1):46~47.

[3].张建新,高爱华.合金元素对6063铝合金组织性能的影响[J].铸造,2007,156(6):642~644.

[4].左秀荣,仲志国,李立祥,等.细晶铝锭熔炼的6063铝合金组织与性能研究[J].特种铸造及有色合金,2005,25(10):587~589.

[5].汤安民,刘泽明. 铝合金材料断裂形式变化规律的试验分析[J].西安理工大学学报,2003,19(3):226~229.

[6].朱浩,朱亮,陈剑虹.铝合金在三种应力状态下的力学性能研究及断口分析[J].兰州理工大学学报,2006,32(6):29~31.

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