摘要: 本文通过金相、硬度、拉伸、弯曲、疲劳等试验，探究了常温、0℃、−25℃、−40℃、−50℃等条件下的6005A-T6铝合金的力学性能。研究结果发现，6005A-T6铝合金组织较为均匀，硬度值总体分布均匀，弯曲试样均未发现明显裂纹或开裂；同时发现，随着温度的降低，材料的抗拉强度、断后伸长率及疲劳极限均有提升。
Abstract:
This article explores the mechanical properties of 6005A-T6 aluminum alloy under normal tem-perature, 0˚C, −25˚C, −40˚C, −50˚C and other conditions through metallographic, hardness, tensile, bending, fatigue and other tests. The results of the study found that the structure of the 6005A-T6 aluminum alloy is relatively uniform, the hardness value is distributed uniformly, and no obvious cracks or cracks are found in the bending specimens. At the same time, it is found that with the decrease of temperature, the tensile strength, elongation after fracture and the fatigue limit have all been improved.
1. 引言
6005A-T6是具有良好的挤压性、耐腐蚀性和焊接性的中等强度Al-Mg-Si系铝合金，其空心挤压型材被广泛用作我国各种型号的高速列车和地铁列车车体的侧墙、顶棚、端墙、地板和底架等结构型材 [1] [2] [3] [4]。目前，6005A-T6是高速列车和地铁车辆用量最大的铝合金材料。然而，近年来针对6005A-T6铝合金MIG焊接接头力学性能的研究主要是常温条件下的 [5] [6] [7]，对于其低温环境下的力学性能研究较少。在实际服役环境中，低温严寒环境对高速列车车体结构材料的力学性能提出了更高的要求。因此，本文对6005A-T6铝合金低温力学性能的研究，对于高铁领域中，6005A-T6铝合金焊接结构件的制造，以及其整体低温力学性能提高，具有重要的现实意义。
2. 试验材料及方法
2.1. 试验材料及焊接工艺参数
6005A-T6铝合金所用母材为车体中空挤压型材，供货状态为T6，厚度为2.5~4 mm，实际试验中取3 mm厚试件，6005A-T6铝合金的化学成分如表1所示。
Table 1. Chemical composition of 6005A aluminum alloy (wt%)
表1. 6005A铝合金的化学成分 [8] (wt%)
2.2. 试验方法
先将6005A铝合金中空挤压型材利用线切割机进行金相、硬度、拉伸、弯曲、疲劳试样取样。金相试样磨制抛光后，采用Keller’s腐蚀剂进行腐蚀，使用金相显微镜(Zeiss-A1M)进行显微组织观察。硬度使用型号为的维氏硬度计(HVS-30D)进行测量，测点间隔为1 mm，加载载荷为1 kg，放大倍数为10×，载荷持续时间为15 s。对于拉伸、弯曲和疲劳试验设置不同环境温度分别为常温(20℃)、0℃、−25℃、−40℃、−50℃。采用DNS300微机控制万能试验拉伸机对常温试样，采用WDW3100微机控制万能试验机对低温试样(0℃、−25℃、−40℃、−50℃)进行拉伸试验，拉伸试验参照GBT 2651-2008 焊接接头拉伸试验方法和GB/T 228-2010金属材料室温拉伸试验方法制成矩形横截面拉伸试样，拉伸速率为3 mm/min。采用DNS300微机控制电子万能试验拉伸机对进行弯曲试验，弯曲速率为5 mm/min。疲劳试验采用带环境试验箱的QBG-100电磁共振高频疲劳试验机进行，疲劳试验参照国标GB/T 3075-2008金属材料疲劳试验轴向应力控制方法，疲劳试验在QBG-100高频疲劳试验机(带高低温环境箱)上进行，利用机械系统共振原理及多自由度力学模型设计而成。疲劳试验载荷的加载及试验结果的判定标准依据Q/SF 71-064-2013《铝合金材料试验规范》。拉伸和疲劳断口形貌特征使用场发射扫描电子显微镜(QUANTA FEG250)进行观察分析。
3. 试验结果及分析
3.1. 母材微观组织观察及分析
图1所示为6005A-T6铝合金母材微观组织。从图中可以看出，母材组织沿轧压制方向较为均匀，轧制方向很明显，通过观察可以发现母材组织主要由α-Al基体与Mg2Si强化相组成，其中可以观察到α-Al基体上析出的少量强化相Mg2Si的大小及分布并不均匀。
Figure 1. The macroscopic metallography and microstructure of 6005A-T6 aluminum alloy
图1. 6005A-T6铝合金宏观金相及显微组织
3.2. 硬度测试结果及分析
从图2可以看出，母材的硬度值在85 HV1到87 HV1之间，总体是趋于平滑，在母材中硬度值总体差不大，这说明母材中组织成分较为均匀。
Figure 2. The hardness curve of 6005A-T6 aluminum alloy base metal
图2. 6005A-T6铝合金母材硬度曲线
3.3. 拉伸测试结果及分析
采用DNS300微机控制万能试验拉伸机对常温试样，采用WDW3100微机控制万能试验机低温试样进行拉伸试验，表2为6005A-T6铝合金母材在不同温度条件下拉伸试验结果。
Table 2. Tensile test results of 6005A-T6 aluminum alloy base material
表2. 6005A-T6铝合金母材拉伸试验结果
由表2可知，6005A-T6铝合金母材抗拉强度均位于264 MPa与291 MPa范围之内，其屈服强度均位于260 MPa与285 MPa范围之内，测试其断后伸长率均位于13.1%与15.0%之间。
从表2中可以看出，6005A-T6母材平均抗拉强度在常温、0℃、−25℃、−40℃、−50℃时依次为267.5 MPa、270.2 MPa、271.5 MPa、274.8 MPa、287.5 MPa。6005A-T6铝合金母材平均屈服强度在常温、0℃、−25℃、−40℃、−50℃时依次为238.0 MPa、246.55 MPa、249.1 MPa、251.0 MPa、261.8 MPa，断后伸长率依次为13.35%、13.45%、13.85%、14.75%、13.65%。这表明，6005A-T6铝合金母材随着温度的降低，其抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率有所提高。从表1可以发现6005A-T6铝合金母材在不同温度条件下弹性模量变化不大，泊松比保持一致。
Figure 3. Comparison of tensile results of 6005A-T6 aluminum alloy base metal under different temperature conditions
图3. 6005A-T6铝合金母材拉伸结果在不同温度条件下对比
Figure 4. Tensile fracture of 6005A-T6 aluminum alloy base material under different temperature conditions. (a) −40˚C × 1000; (b) −40˚C × 2000; (c) −50˚C × 1000; (d) −50˚C × 2000
图4. 6005A-T6铝合金母材在不同温度条件下的拉伸断口。(a) −40℃ × 1000；(b) −40℃× 2000；(c) −50℃× 1000；(d) −50℃× 2000
图3是6005A-T6铝合金母材拉伸结果在不同温度条件下的对比。图4是6005A-T6铝合金母材在不同温度条件下的拉伸断口。从图中可以看出，随着温度的降低，其屈服强度略有升高，但并不明显；其抗拉强度、断后伸长率随着温度的降低略有提高，−50℃时较常温抗拉强度提高了20 MPa。这表明随着温度的降低，材料的形变抗力增强，进而使得材料抗拉强度及断后伸长率有所提高。
3.4. 弯曲测试结果及分析
采用DNS300微机控制电子万能试验拉伸机对6005A-T6铝合金母材弯曲试样在常温、0℃、−25℃、−40℃、−50℃不同温度下进行弯曲试验，表3为6005A-T6铝合金母材在不同温度条件下的弯曲试验结果，其弯曲断裂试样如图5所示。弯曲直径为30 mm，弯曲角度为180˚，所有试样试验后未发现明显裂纹或开裂，弯曲试验结果合格。
Table 3. Bending test results of 6005A-T6 aluminum alloy base metal
表3. 6005A-T6铝合金母材弯曲试验结果
Figure 5. Sample of 6005A-T6 aluminum alloy base material after bending
图5. 6005A-T6铝合金母材弯曲后试样
3.5. 母材疲劳试验结果及分析
通过改变环境温度，研究不同温度条件对6005A-T6铝合金焊接接头疲劳性能的影响规律。焊接接头疲劳性能试验参照标准JIS Z 2273-1978《金属材料疲劳试验方法通则》进行。疲劳试验在QBG-100型高频疲劳试验机上进行，采用轴向拉–拉加载方式，循环应力比R = 0，加载频率根据试验机自行确定，循环应力最高加载次数为107周次。约定在107周次循环时仍未起裂的应力范围为条件疲劳极限。
6005A-T6铝合金母材疲劳试验结果见表4，6005A-T6铝合金母材在常温、0℃、−25℃、−40℃、−50℃温度条件下疲劳试验S-N (应力–寿命)曲线如图6所示。
Table 4. Fatigue test results of 6005A-T6 aluminum alloy base material
表4. 6005A-T6铝合金母材疲劳试验结果
Figure 6. Fatigue test S-N curve of 6005A-T6 aluminum alloy base material under different temperature conditions
图6. 不同温度条件下6005A-T6铝合金母材疲劳试验S-N曲线
由图6可知，S-N曲线在单对数坐标系呈近似线性关系，且6005A-T6铝合金母材在常温0℃、−25℃、−40℃、−50℃的温度条件下，6005A-T6铝合金母材疲劳极限依次为120 MPa、122 MPa、123 MPa、128 MPa、126 MPa。
4. 结论
1) 6005A-T6铝合金成分均匀，硬度值分布平稳。
2) 随着温度的降低，材料的形变抗力增强，进而使得材料抗拉强度及断后伸长率有所提高。
3) 弯曲试验后未发现明显裂纹或开裂，弯曲试样均合格。
4) 随着温度的降低，该材料的疲劳极限呈现上升趋势。
参考文献