国产结构用铝合金高温力学性能试验研究

郭小农 高志朋 朱劭骏 王昆 相阳 高安江

摘 要：为了研究铝合金材料在高温下的力学性能，完成了国产结构用铝合金6082-T6、6N01-T6、6061-T4和6061-T6的高温下恒温加载试验.试验测得了4种牌号铝合金在不同温度下（20 ～ 300 ℃）的力学性能，包括名义屈服强度、极限强度和延伸率等力学性能指标.然而在试验中发现高温下材料应变难以准确测量，因此未能获得各牌号铝合金高温下的弹性模量.将试验数据进行拟合，得到了4种牌号铝合金力学性能指标高温折减系数的计算式，为铝合金结构的抗火性能研究打下基础.此外，还将所得到的折减系数计算式与欧洲规范和美国规范中的建议值进行对比，结果表明规范建议值均偏安全，其中美国规范最为保守.

关键词：铝合金；高温；拉伸试验；力学性能

中图分类号：TU512.4 文献标志码：A

文章编号：1674—2974（2018）07—0020—09

Abstract： In order to investigate the elevated-temperature mechanical behavior of aluminum alloy， tensile tests of domestic structural aluminum alloy 6082-T6，6N01-T6，6061-T4，6061-T6 under constant elevated temperatures were carried out， and their mechanical properties under various temperatures（20 ～ 300 ℃） were obtained， including the nominal yield strength， ultimate strength and elongation. It was found that the strain of aluminum alloy specimens at elevated temperature could hardly be accurately measured， leading that their elastic modulus was not obtained. The formulae of reduction factors on the mechanical properties of the 4 kinds of aluminum alloy at elevated temperatures were derived through numerical fitting method， laying a solid foundation of the research on fire resistance of aluminum alloy structures. Moreover， the theoretical formulae were compared with the reduction factors suggested by Eurocode and American Standard. The results revealed that the codes inclined to the safe side， and the American Standard was more conservative.

Key words： aluminum alloy；elevated temperatures；tensile tests；mechanical properties

铝合金是一种新型建筑材料，和传统的钢材相比，铝合金具有重量轻、强度高、可模性好、延展性好、耐腐蚀性好等优点，因此被广泛应用于工业和民用建筑中[1].和钢材相比，铝合金的防火性能较差，随着温度的升高，铝合金的强度和弹性模量下降很快[2].铝合金材料的耐火性能直接影响到铝合金结构高温下的安全性，因此研究铝合金高温下的力学性能是十分必要的.

国外对于铝合金高温下的力学性能研究较为成熟。Khalifa[3]和Kaufman[4]等分别对铝合金材料进行拉伸试验和受弯试验，Dorn[5]和Harmathy [6] 等提出了考虑材料蠕变效应的本构关系模型，用以模拟铝合金材料高温下的本构关系，Maljaars等[7]提出不同系列铝合金高温弹性模量公式。Maljaars等[8]还指出，铝合金的高温强度受蠕变变形的影响，对于5×××系列（如5083-O，5083-H12，等）鋁合金，欧洲规范[9]给出的名义屈服强度偏于不安全。

和国外的研究相比，国内对于铝合金高温力学性能的研究起步较晚.2009年，彭航[10]等完成了建筑用6061-T6系铝合金高温下力学性能试验研究，得出了该系列铝合金高温下的材料性能指标，包括抗拉强度、弹性极限强度和延伸率等力学性能参数，并根据试验结果拟合得到高温下的材性模型.梁水

平[11]完成了国产7020-T6铝合金高温下力学性能试验研究，得到了该系列铝合金的名义屈服应力、弹性模量、延伸率、抗拉强度等力学性能参数，并给出了高温下力学性能的折减系数建议值.张辉[12]等完成了4050系铝合金的热压缩实验，得到了该铝合金的热变形行为及其热加工特性.严红革[13]等研究了

2024Al/Gr/SiCp复合材料高温下的拉伸力学性能.

近年来，在建筑结构领域，除了传统牌号6061-T6以及6061-T4，一些新型牌号也逐渐得到应用，比如6082-T6和6N01-T6等.对于这些国产牌号的铝合金，其高温下的力学性能研究资料非常匮乏.鉴于此，本文完成了上述4种牌号铝合金高温下的力学性能试验，得出了其高温下的力学性能指标.

1 试验设计

1.1 试件设计

依据《金属材料拉伸试验》（GB/T228.1—2010，GB/T228.2—2015）[14-15]，本文设计了4种牌号的铝合金试件共计48根，试件编号如表1所示.由于铝合金在300 ℃以上时，承载力下降过快，同时也受限于试验条件，故本文共设置了20 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃等6个温度点.表1还给出每根试件的实测截面尺寸.试件图如图1所示，所有试件均为板材拉伸试样，名义截面尺寸为15 mm × 4 mm；为满足高温炉的夹持要求，等截面段长度150 mm，试件总长度300 mm.图2给出了6082-T6系列试件在试验前的照片.

1.2 加载和测量装置

本试验在同济大学力学试验中心完成，所用试验仪器为岛津高温电子万能试验机，型号为AG-250.试验机最大量程为250 kN，满足试验要求.试验仪器由四部分组成，分别为加载装置（见图3）、热与恒温设备、位移测量侧摄像头、操作与控制装置.由于试验是在高温下进行的，因此常温位移引伸计不

再适用，本试验采用了高清摄像头捕捉应变；试验前首先在试件上涂刷防火漆以加大反光率，然后在防火漆上设定光学捕捉标记，通常标记间距为20 ～ 40 mm；试验时将高清摄像头捕捉到的距离变化输入到采集系统中，并通过标距进一步换算出应变.试件加载前在恒温设备内加热，达到预设温度后保持恒温15 min，然后在恒定温度下进行加载试验.

2 试验结果分析

各试件在加载初期，拉力增长速度很快，而拉伸变形只有少量增加，应力-应变曲线近似为一条倾斜的直线，材料处于弹性阶段.当拉力增大到一定程度后，拉伸变形开始急剧增大，而拉力基本恒定，材料进入屈服阶段.最后试件某个位置出现颈缩，荷载急剧下降，直至试件断裂.当温度相对较低时，试件断裂时能听到明显的断裂声，试件断口呈现45°斜破坏面；而随着温度升高，断裂时的声音逐渐微弱，断口截面收缩更为明显，断口更加平直.

表2给出了所有试件的实测抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率，并给出了各组试件的试验结果均值.图4给出部分试件拉断后的照片.从图4可以看出，由于试验条件限制，部分试件的断口未出现在中部，因此表2中的延伸率数据不够准确.

图5给出了6082-T6系列试件和6N01-T6系列试件的实测应力应变曲线，从图5可以看出：随着温度的升高，铝合金的名义屈服强度和极限抗拉强度均不断下降.

3 高温下力学性能指标折减系数

高温下和常温下结构分析的一个主要区别在于材料性能随温度的变化而变化，因此结构抗火分析结果的精度很大程度上取决于分析中所采用的高温下力学性能指标.其中最为重要的力学性能指标包括弹性模量、名义屈服强度、极限强度和延伸率等.由于试验得到的弹性模量和延伸率不够准确，故后文仅给出了极限强度和名义屈服强度的高温折减系数.

3.1 极限强度高温折减系数

记k1（T）为高温下极限强度折减系数，则为温度T时铝合金极限强度标准值fu（T）可按下式计算：

其中，fu为常温下的铝合金极限强度.采用表2中得到的试验平均值进行多项式拟合，可以得到各牌号铝合金的抗拉强度高温折减系数公式如式（2a）～ 式（2d）所示：

采用表2中得到的试验数值计算得到具有95%保证率的标准值进行多项式拟合，可以得到各牌号铝合金的抗拉强度高温折减系数公式如式（3a）～式（3d）所示：

以上各式中，温度T的适用范围为0 ～ 300 ℃.图6给出了各种牌号铝合金的高温试验点和拟合曲线之间的关系图.表3列出了根据拟合公式计算得到的极限强度高温折减系数值，并将6061-T6和美国规范[16]的结果进行了对比，美国规范没有给出其余牌号铝合金的极限强度高温折减系数.

3.2 名義屈服强度高温折减系数

记k2（T）为高温下名义屈服强度折减系数，则为温度T时铝合金的名义屈服强度标准值f0.2（T）可按下式计算：

其中，f0.2为常温下的铝合金名义强度.采用表2中试验平均值进行多项式拟合，可以得到各牌号铝合金的名义屈服强度高温折减系数公式如式（5a）～式（5d）所示：

采用表2中得到的试验数值计算得到具有95%保证率的标准值进行多项式拟合，可以得到各牌号铝合金的名义屈服强度高温折减系数公式如式（6a）～式（6d）所示：

以上各式中，温度T的适用范围为0～300 ℃.图7给出了4种牌号铝合金的高温试验点和拟合曲线之间的关系图.表4列出了根据平均值拟合公式计算得到的名义屈服强度高温折减系数值，并和欧洲规范[9]的结果进行了对比.

3.3 拟合公式和各国规范的对比

欧洲铝合金抗火规范[9]给出了欧洲常用铝合金的名义屈服强度高温折减系数，但是并没有给出极限强度的高温折减系数.图8对比了本文的拟合公式和欧洲规范以及美国规范的建议曲线.欧洲规范推荐的合金牌号包括6061-T6和6082-T6，但没有6N01-T6以及6061-T4；而美国规范推荐了6061-T6牌号，其余3种牌号没有推荐.从图8可以看出：本文的4条拟合曲线中，6061-T4的曲线明显高于其余3条曲线，说明高温下热处理状态为T4的强硬化合金受高温影响不明显；对于6061-T6，本文拟合曲线和EC9曲线较为接近，而本文曲线略高于EC9曲线，但均远高于美国规范曲线，这说明美国标准非常偏于安全；对于6082-T6，本文曲线和EC9曲线也较为接近，但也略高于EC9曲线.另外，将6061-T6曲线和6082-T6曲线进行对比可以发现，本文拟合曲线和EC9曲线均呈现6061-T6高于6082-T6的情况，这表明由于6082-T6的强度更高，其受高温的影响更为严重.

美国规范[16]还给出了美国常用铝合金的极限强度高温折减系数.图9对比本文的拟合公式和美国规范的建议曲线以及彭航等[10]的试验结果.从图9可以看出，本文的4条拟合曲线基本重合在一起，其中仅6N01-T6略低；本文的4条拟合曲线和美国规范相比，除了6N01-T6曲线在20 ～ 150 ℃区间略低以外，其余远高于美国规范，美国规范对高于150 ℃区间的折减系数取值大幅偏于安全.原因为本试验的数据点较少，且美国规范取值也偏于保守.彭航

等[10]的試验曲线比本文的试验曲线略高.

图10还给出了本文拟合的曲线中6061-T6和6061-T4的对比情况.从图10可以看出，对于名义屈服强度，6061-T4的曲线明显高于6061-T6的曲线，这是由于6061-T4为强硬化合金，其常温下名义屈服强度f0.2较小而强屈比较大，热处理状态对合金的硬化效果不显著，因此高温对于其名义屈服强度影响反而较小；而6061-T6为弱硬化合金，其常温下的f0.2较大，热处理的硬化效果显著，以至于高温对于其名义屈服强度的影响更为显著.从图10还可以看出，对于极限强度，6061-T4的曲线和6061-T6的曲线却几乎重合，这表明虽然热处理状态会影响合金的名义屈服强度，但对合金的极限强度影响有限，因而其高温折减系数基本相同.

4 结 论

1） 本文完成了6082-T6、6N01-T6、6061-T6以及6061-T4等4种牌号国产铝合金的高温恒温拉伸试验，得到各试件在高温下的名义屈服强度、极限强度、延伸率和断面收缩率.

2） 根据试验数据拟合得到了4种牌号国产铝合金的名义屈服强度高温折减系数公式和极限强度高温折减系数公式，并和欧洲规范以及美国规范的建议值进行了对比.对比表明，本文拟合得到的高温折减系数曲线均高于欧洲规范和美国规范，其中美国规范最为保守.

3） 为能准确地获得铝合金高温弹性模量，需要对高温下材料弹性模量的测量方法进行深入研究.为了能更加准确地了解国产铝合金的高温力学性能，还需要补充更多的试验，建立试验数据库，从统计学角度出发，给出更为精确合理的计算公式.

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