杨 丽，曲凤娇，静 宇，王丽萍，吴海旭，韩 超
(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)
铝合金因密度小、耐腐蚀、比强度高、易成型等优点，被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑业等领域。近年来，随着汽车轻量化的迅猛发展，铝合金在汽车上的应用越来越广泛[1]。由于节能环保意识的提高及“双碳”目标的提出，汽车轻量化也随之成为汽车行业研究的重要热点。汽车轻量化主要措施有三种方式：应用新材料、优化结构以及应用新工艺[2]，这三种方式各有优势和劣势[3]，但目前汽车轻量化使用最广泛的措施主要是应用轻质新材料。
铝作为最常见的轻金属材料之一[4]，是汽车轻量化的首选材料。目前，世界各大汽车公司都在积极推进车身、车体主要部件的铝材化，比较常见的车身铝合金材料一般为经热处理的6000系、5000系铝合金和7000系铝合金[5]。7000系铝合金是典型的沉淀强化合金，具有密度小、强度高和优良热塑性等特点[6]，其中，7003铝合金具有中等强度、良好的挤压性、成形性及可焊性[7]，逐渐被开发用于汽车材料[8]。本文以汽车用7003铝合金为研究对象，分析其室温至250 ℃范围内的力学性能，为7003铝合金的高温应用提供实验数据。
试验材料为7003铝合金挤压型材，热处理状态为T6，试样厚度 3mm。依据标准GB/T 228.1—2010设计并加工室温和高温拉伸试样，试样取样方向为挤压方向。试样化学成分见表1，试样尺寸如图1所示。
表1 试样化学成分(质量分数，%)
图1 试样尺寸Fig.1 The size of samples
采用日本岛津电子万能试验机配备高低温环境箱进行拉伸试验，电子万能试验机传感量程100 kN，精度等级0.5级，试验时安装Epsilon高温引伸计进行试样应变测量直至试样断裂，引伸计量程25 mm，精度级别为0.5级。采用应变速率控制，在规定塑性延伸强度范围内应变速率为0.00025/s，规定塑性延伸强度后应变速率为0.008/s直至试样断裂。每种温度下进行3次拉伸试验，试验结果取平均值。采用日本岛津SSX-550扫描电子显微镜观察试样拉伸断口形貌。
2.1 性能分析
图2为7003-T6铝合金在不同温度下的应力应变曲线，表2为7003-T6铝合金材料在室温(23 ℃)、50、100、150、200、250 ℃温度下的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、最大力塑性延伸率和应变硬化指数的试验结果。由图2可知，7003-T6铝合金材料无明显的屈服平台，在室温、50、100、150、200、250 ℃温度下的应力-应变曲线变化基本一致。在变形初始阶段即弹性阶段，随着应变的增加，应力的增大速度较快；
随着拉伸过程的持续，进入塑性变形阶段后应力增大缓慢；
当应变达到一定值后，应力开始迅速下降，这是因为随着应变量的增大，材料的变形逐渐由加工硬化转变为动态软化，最终导致应力应变曲线呈下降趋势。此外，从图2中还可以看出，在室温到50 ℃温度范围内应力相差不大，力学性能相对稳定；
而在100～250 ℃温度范围内，应力出现明显差距，材料性能受温度影响比较明显。在相同应变条件下，试验温度越高，材料的应力就越低，规定塑性延伸强度、抗拉强度也随之减小，同时达到抗拉强度的应变值也在减小，且在200～250 ℃时尤为明显。
图2 7003-T6铝合金在不同温度下应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures
表2 拉伸试验结果
图3为7003-T6铝合金在不同温度下规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率和最大力塑性延伸率的变化曲线。由图3可知，在室温到250 ℃范围内，随拉伸温度的升高，材料的规定塑性延伸强度、抗拉强度和最大力塑性延伸率逐渐下降，其中，在100～250 ℃温度范围内下降最为明显；
而断后伸长率则逐渐升高，尤其在150 ℃以上，软化特征明显，断后伸长率明显提升。由表2可知，当温度由室温上升至250 ℃时，材料的规定塑性延伸强度下降了213 MPa，抗拉强度下降了239 MPa，最大力塑性延伸率下降了5.54%，而断后延伸率却升高了13.41%。
图3 7003-T6铝合金在不同温度下的性能变化Fig.3 Performance changes of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures
图4为7003-T6铝合金在不同温度下的应变硬化指数变化曲线。由图4可知，在室温到250 ℃范围内，随温度的升高，应变硬化指数逐渐降低。这是因为温度的升高，外界提供的激活能增强，导致原子间结合力降低，原子间扩散能力变强，从而产生的位错消失，减轻或削弱了材料的加工硬化；
同时在热变形过程中，发生了部分动态再结晶，加强了合金的软化程度，降低了合金的变形抗力。
图4 7003-T6铝合金在不同温度下应变硬化指数Fig.4 Strain hardening index of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures
2.2 断口分析
图5为7003-T6合金在不同温度下的拉伸断口形貌。由图5可知，不同拉伸温度下，试样断口形貌存在较大差异。室温下，拉伸断口韧窝尺寸小且密集，深度较浅，韧窝内部均匀分布细小的第二相，没有观察到滑移条带。随拉伸温度的升高，韧窝尺寸不断增大，深度逐渐增加。从图5中还可以看出，室温到100 ℃范围内韧窝深度变化不明显，均可观察到韧窝内部组织形貌；
150 ℃时韧窝尺寸最大，且韧窝深度增加最明显见图5(d)；
200 ℃、250 ℃时韧窝尺寸不再增大，但韧窝深度逐渐增加。另外，200 ℃时可见少量稀疏的滑移条带见图5(e)，250 ℃时有大量密集排列的滑移条带见图5(f)。
(a)室温;(b)50 ℃;(c) 100 ℃;(d) 150 ℃;(e) 200 ℃;(f) 250 ℃图5 7003-T6铝合金在不同温度下的拉伸断口形貌(a) room temperature; (b) 50 ℃; (c) 100 ℃; (d) 150 ℃; (e) 200 ℃; (f) 250 ℃Fig.5 The tensile fracture morphology of 7003-T6 aluminum alloy at different temperatures
拉伸变形过程中，在剪应力的作用下，晶格沿一定的晶面和晶向产生移动形成滑移。当拉伸温度较低时，断口中细小密集的韧窝会阻碍滑移运动，材料获得较高的屈服强度和抗拉强度。多条平行的滑移线形成滑移带，滑移带是晶体发生塑性变形的重要特征，材料塑性变形越严重的区域，滑移带越密，扩展也越长。试样在高温拉伸过程中，由于位错和滑移的运动更活跃，强化相对位错运动的阻碍会减弱，产生密集排列的滑移条带会使断后延伸率升高。纵向深度越深说明材料的塑性变形越大，获得断后延伸率就越高。
1)7003-T6铝合金材料无明显的屈服平台，室温至250 ℃温度下的应力-应变曲线变化基本一致。室温至50 ℃温度范围内应力相差并不大，而100～250 ℃温度范围内应力变化较为明显；
2)在室温至250 ℃范围内，随拉伸温度的升高，材料的规定塑性延伸强度、抗拉强度、最大力塑性延伸率会逐渐下降，其中100～250 ℃范围内下降尤为明显；
但断后伸长率却逐渐增加，尤其在150 ℃温度以上增加更为明显；
3)在室温至250 ℃范围内，随拉伸温度的升高，材料的应变硬化指数会逐渐降低；
4)随拉伸温度的升高，韧窝尺寸增大，深度减小，条带增多，强化相对位错运动的阻碍会减弱，材料强度会不断降低，而延伸率则不断升高。
猜你喜欢韧窝延伸率室温平整机前后张力辊辊径与轧制力之间的关系研究山西冶金(2022年5期)2022-09-22AA6063 铝合金韧性断裂断口分析上海工程技术大学学报(2021年3期)2022-01-22冷轧平整恒轧制力对SS400力学性能影响研究中国金属通报(2021年18期)2021-12-27冷轧镀锌光整机延伸率控制模式的解析与优化湖北农机化(2021年7期)2021-12-07室温过高加剧低血压？不准确家庭医药(2021年8期)2021-07-28纯铁在大应变速率范围内的变形和断裂行为齐鲁工业大学学报(2021年2期)2021-04-23室温采集装置及供热二级管网智能化改造煤气与热力(2021年2期)2021-03-19A7N01S-T5铝合金激光-MIG复合焊接头低温韧性研究电焊机(2020年4期)2020-09-10轧后热处理工艺对Gr.5钛合金棒材断口形貌及组织的影响研究中国金属通报(2020年5期)2020-01-06连退线平整机延伸率控制技术应用山西冶金(2019年3期)2019-09-21