6061-T6铝合金挤压型材高温拉伸性能及模型预测

吴海旭，杨 丽，耿庆涛，韩宝明，黄盛林

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6061铝合金属于Al-Mg-Si系，因优异的力学性能，其挤压系列型材被广泛用于强度和耐蚀性能要求较高的航空航天、兵器工业、交通运输等领域的工业型材和结构件[1-3]。6061合金在热状态下具有较好的可塑性，薄壁中空挤压制品是其挤压型材常见的一种形式[4-5]。但由于工作环境不同，因此需考虑型材在不同温度下的性能变化[6]。

本文研究6061-T6铝合金挤压型材高温力学性能，并对其断口形貌进行分析。同时，以拉伸实验结果为依据，建立合金抗拉强度、屈服强度和伸长率的预测模型，可为工程应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验材料为6061铝合金挤压型材，见图1，热处理状态为T6，试样厚度为3 mm，合金成分见表1。

图1 6061-T6铝合金空心挤压型材

表1 试样化学成分(质量分数，%)

1.2 实验方案

将合金沿挤压方向(纵向)加工成高温拉伸试样见图2，采用AG-X 100KNH电子万能试验机进行拉伸试验，选择试验温度为：室温(23 ℃)、100、200、300、400和500 ℃。试验步骤为：试样随炉升温，待炉温达到试验温度后保温10 min，然后取出试样进行拉伸试验。每个温度条件下，至少取2次试验的平均值为测试结果。利用体视显微镜和扫描电子显微镜对试样拉伸断口进行宏观、微观观察。

2实验结果

6061-T6铝合金型材在23～500 ℃范围内的抗拉强度、屈服强度、伸长率试验结果和预测模型，如图3～图5所示。试样拉伸曲线，如图6所示；试样在23～500 ℃条件下拉伸断口的宏微形貌，见图7。

图2 高温拉伸试样

图3 试样抗拉强度实验结果及预测模型

图4 试样屈服强度实验结果及预测模型

图5 试样伸长率实验结果及预测模型

图6 合金试样拉伸曲线

3 结果分析

从图3～图5可以看出，随着温度的升高，试样的抗拉强度和屈服强度呈线性下降趋势，而试样的伸长率在室温(23 ℃)～200 ℃范围内变化不大；随着温度增加到300 ℃时，试样的伸长率有所下降；当温度继续升高，试样的伸长率显著增加，见图6。

从图7中可以看出，室温条件下，试样断口边缘平齐锋利，断面大致呈45°，断面上存在许多小而浅的韧窝和撕裂棱(见图7(a)、7(b))；当温度升高到300 ℃时，试样断口宏观形貌粗糙，且断口附近出现次裂纹，小韧窝数量减少，同时出现一些较大、较深的孔洞(见图7(c)、7(d))；随着温度继续上升至400 ℃时，试样断口附近次裂纹更加明显(见图7(e)、7(f))；温度为500 ℃时，试样拉伸断口上的小韧窝基本消失，而以大尺寸孔洞为主(见图7(g)、7(h))。

(a)、(b)23 ℃；(c)、(d)300 ℃；(e)、(f)400 ℃；(g)、(h)500 ℃

由上述分析可知，合金强度随温度的升高而下降，这主要归因于：1)高温条件下的合金原子自由能更高，彼此之间的结合力减弱，结合强度变低；2)高温条件下，更多的滑移系得以移动，位错的滑移、攀移路径更加灵活，由位错交割造成的硬化效果随温度升高而减弱；3)沉淀析出相发生聚集长大或重熔消失，对位错滑移的阻碍作用减弱，沉淀强化效果降低。

合金伸长率随着温度的升高呈先降后升变化，这是由于：1)温度升高，晶界弱化，合金晶粒之间的结合力降低，导致试样在变形较小时发生断裂；2)升高温度的过程中，晶内更多的滑移系得以移动，晶粒变形更加容易，使合金塑形增加。在300 ℃左右时，因素1)起主导作用，因而合金伸长率降低；进一步提升拉伸温度，因素2)发挥的作用更加明显，合金伸长率显著提高。

4 结论

在室温(23 ℃)～500 ℃范围内，随着温度的升高，6061-T6铝合金挤压型材的抗拉强度和屈服强度单调下降，而合金伸长率先降低，后增加；三者的变化规律可用以下3个数学模型进行拟合：

Rm=305.87+0.11649T-0.00176T2

-4.67776×10-6T3+1.07156×10-8T4

(1)

RP0.2=268.156+0.15727T-2.8895×10-4T2

-1.0138×10-5T3+1.60116×10-8T4

(2)

A=11.156-0.05847T+8.81805×10-4T2

-4.35219×10-6T3+6.44978×10-9T4

(3)