显微孔洞对铝合金管材力学性能的影响分析

张红香

摘要： 为了减少铝合金管材的显微孔洞，确保组织的连续性，使产品的强度、塑性等力学性能满足一定的使用要求，通过对不同批次、不同规格的铝合金管材试样进行高倍组织试验，找出显微孔洞的尺寸、分布对铝合金管材力学性能的影响规律。试验表明，孔洞越密集或孔洞尺寸越大，铝合金管材的抗拉强度、屈服强度、伸长率越低。在实际生产中，分析空洞產生的原因，严格工艺操作规程，减少铝合金管材显微孔洞的产生，会有效改善产品的力学性能，满足其使用要求。

关键词： 显微孔洞 铝合金管材 试验 力学性能

中图分类号： TG146.21 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0097-05

金属材料的组织是指用肉眼观察或借助放大镜、显微镜观察到的材料内部的微观形貌图像，它是决定金属材料性能的根本因素［1-2］。在生产生活中，人们都关心材料的使用性能，其中力学性能对材料的使用性能影响较大，材料的力学性质主要是指材料受力时在强度、变形方面表现出来的性质，包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等［3-5］。材料的组织与性能密切相关，组成相的数量、尺寸、形状及分布等不同，材料的各项性能也不同，金属材料的组织缺陷会对材料性能造成不同程度的影响［6］。显微孔洞是利用显微镜观察到的一种金相组织缺陷，呈一些圆形或者不规则的黑洞，它破坏了基体的连续性，在变形过程中造成应力集中，会对材料的力学性能产生一定影响，严重危害材料的使用性能［7-8］。

1 试验方案及试样选择

1.1 试验方案

铝合金的显微组织特征主要取决于合金的成分，对2A12CZ、7A60T651 两种铝合金的管材依据《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第1 部分：显微组织检验方法》（GB/T 3246.1—2012）［9］取样，按照《金相检验规程》（QJ/XL 04.07（02）—2006）［10］要求进行高倍试验，测量显微孔洞的尺寸并观察孔洞的分布情况，再对以上两种合金按照《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》（GB/T 16865—2013）［11］规定制取力学性能试样，按照《金属材料 室温拉伸实验方法》（GB/T 228—2021）［12］进行拉伸试验，比较显微孔洞尺寸及其分布不同的试样对应的力学性能，并与同一批次无显微孔洞试样的力学性能进行比较，从而分析铝合金管材显微孔洞对力学性能的影响情况，得出不同尺寸、不同分布情况的显微孔洞对产品力学性能的影响程度。

1.2 试样选择

试验时，从实际生产的产品中选择批号为00113批2A12CZ 铝合金36×1.5 管材、06388 批7A60T651 铝合金121.5×3.5 管材以及00693 批2A12CZ 铝合金60×2.5 管材，分别截取200 mm 长的3 种产品进行实验试样制取。

2 试验流程

根据《变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1 部分：显微组织检验方法》（GB/T 3246.1—2012）和《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》（GB/T16865—2013）规定要求，用选取的3 个批次的2A12CZ合金36×1.5 管材、7A60T651 合金121.5×3.5 管材以及2A12CZ 合金60×2.5 管材的3 种产品试样分别制取50 mm×20 mm 的金相高倍组织试验用扁平试样和200 mm×13 mm 的力学性能试验用扁平试样，进行金相高倍组织试验和力学性能试验。

金相高倍组织试验时，根据《变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1 部分：显微组织检验方法》（GB/T 3246.1—2012）规定要求选取铝合金管材产品试样，对试样分别进行研磨、抛光后，先用HF（2 mL）+HCl（3 mL）+HNO3 （5 mL）+H2O（190 mL）混合酸浸蚀，再用25% 的HNO3 溶液擦去浸蚀黑膜，最后用水和酒精棉擦拭处理后放置在NUM 型显微镜下观察，测量显微孔洞的尺寸并观察其分布情况。具体操作所用设备、仪器、标准和试验流程按图1 进行。

力学性能试验时，根据《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》（GB/T 16865—2013）规定要求制取试样，将试样分别在100KN-2-5T 拉力试验机上进行拉力试验。具体操作所用设备、仪器、标准及力学性能试验流程按图2 进行。

3 试验结果

根据3 个批次的2A12CZ 合金36×1.5 规格管材、7A60T651 合金121.5×3.5 规格管材以及2A12CZ 合金60×2.5 规格管材这3 种铝合金管材产品试样金相高倍组织试验和力学性能试验，测量试验后的试样显微孔洞尺寸及分布情况，计算不同批次不同规格试样对应的力学性能，对比不同显微孔洞尺寸及其不同孔洞分布情况所对应试样的力学性能，得出显微孔洞对铝合金管材产品试样力学性能的影响情况。结果如表1 至表3 所示。

表1 至表3 中，3 种试验数据对应的力学性能关系从图3 至图5 的陡峭程度来体现更直观，更能说明问题。

4 数据分析

比较表1 至表3 及图3 至图5，可以看出：有显微孔洞与没有显微孔洞的铝合金管材试样的力学性能存在一定的差异；在同样的面积中，显微孔洞分布较密集的试样对力学性能影响较明显。由表1 至表3 可以看出：从1 号到6 号试样，其抗拉强度Rm 和屈服强度Rp0.2整体上均呈下降趋势，且在每2 500 μm2中约有20 个洞的下降趋势大于每2 500 μm2 中约有15 个洞的下降趋势。

从图3 至图5 的陡峭程度来看，图3 中的抗拉强度Rm 和屈服强度Rp 0.2 下降趋势线比图4 中的下降趋势线明显要陡，由此看来，孔洞越密集，铝合金管材的力学性能越低。从表1 与表3 可以看出，在同一合金中，孔洞的大小大多数分布在10 μm×5 μm至15 μm×15 μm 之间，其最大尺寸达30 μm×25 μm 时的最小抗拉强度Rm 为481.8MPa，屈服强度Rp0.2 为425.4 MPa；孔洞的大小多分布在10 μm×10 μm 至15 μm×15 μm之间，其最大尺寸达25 μm×20 μm 时，最小抗拉强度Rm 为490.3 MPa，屈服强度Rp 0.2为366.9 MPa。这说明孔洞的尺寸增大，会使铝合金管材的力学性能降低，而且影响很明显。

从图3 到图5 可以看出，1 号到3 号试样抗拉强度及屈服强度的趋势线基本趋于平直，且与没有显微孔洞铝合金管材的力学性能基本处于同一水平线上，说明在铝合金管材中显微孔洞分布较稀疏、尺寸很小时，对铝合金管材的力学性能影响也很小。

5 显微孔洞的形成原因及改进措施

5.1 形成原因

从实际生产来看，显微孔洞的形成主要有两种原因，一是铝合金材料在铸造时，由于空气湿度，铸件中会进入氧、氮、氢3 种气体，如果覆盖剂覆盖不良或熔炼温度较高，这些气体元素及其化合物就能够溶解在熔融的铸锭中。由于溶解的气体会在金属凝固时析出来，凝固收缩得不到液体的有效补充，所以它们在特定的条件下以分子状态的单质或复合气体存在于铸件中，并成为气体杂质，形成铸态孔，从断面上观察，多呈现乳白色的小凹点；二是在固溶时，气体填入金属的晶体点阵间隙位置，形成间隙式固溶体，当气体含量超过固溶极限时，将形成氧化物、氮化物和氢化物等金属化合物，弥散于晶粒内或存在于晶界上，形成固溶孔［13-15］。

5.2 改进措施

铸件中铸态孔的大小多少与铸造时的气体含量有关，合理配制覆盖剂成分，如加大碳化物、铬元素的含量阻止空气中的氧、氮、氢3 种气体进入熔融的铸锭中，能有效补偿显微孔洞的部分体积，有利于降低显微孔洞的体积分数。另外，铸造速度也在很大程度上影响着铸态孔的形成。铸造时使溶液匀速成型，尽可能避免抽拉速度过大；在固溶热处理中，控制合理的固溶热处理工艺，避免温度梯度过大，使合金中的元素避免不平衡扩散和各相位的体积发生变化，减少各种化合物形成，就会有效预防孔洞的出现。

6 结语

显微孔洞对铝合金管材的力学性能有一定的影响。孔洞越密集，铝合金管材的抗拉强度、屈服强度、伸长率越低；孔洞的尺寸越大，铝合金管材的抗拉强度、屈服强度、伸长率也越低。在实际生产中，了解显微孔洞的形成原因，提出以下改进措施，例如：在铝合金熔炼时，尽可能降低铝合金液流的落差，平稳操作，确保熔煉中覆盖剂质量及覆盖工艺；加强除气工作，保持炉体干燥，降低铸造速度，提高铸件冷却速度，避免气体进入熔体，改变结晶方式，减少低熔点物质的凝固收缩等。在实施上述措施同时，严格按照工艺操作规程进行操作，尽可能减少铝合金管材产品显微孔洞的产生，避免孔洞尺寸增大，会有效改善产品的力学性能，满足其使用要求。

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