铝合金材料6061T6与6063T5的应用与理论研究

图3
F1‘’ = F2
= F1 = F2
≈
G 2 cos α
(1)
设窗扇高为 H，扇宽为 W；
α = arctan(W )
(2)
H
则弯曲力矩 M = W × G ；由此可知： 4
窗户越宽 F1、F2 受力际安装中，下部合页的压力
中国建筑金属结构 · 技术
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F2' 大部分力传递到型材的竖立面上，得以 抵消，不作研究对象；上部合页主要受拉 力作用，其 F1' 完全由自身强度承受。
图6
2.1 对 6063T5 合页进行分析（见图 7） 根 据 分 析 结 果 可 知，6063T5 合 页 在 F4=600N、F3‘=1170N ( 试验时为侧冲击力 ) 作用下： 2.1.1 静 态 时 上 部 合 页 下 端 产 生 了 835MP 的内应力，有 0.663mm 的最大变形； 2.1.2. 模 态 时 上 部 合 页 下 端 193.4MPa 时 开 始 进 入 失 稳 状 态， 在 连 续 冲 击 时 有 1.621mm 的变形。
2.2 对 6061T6 合页进行分析（见图 8） 根据分析结果可知，6061T6 合页在同 样大小力作用下： 2.2.1. 静态时上部合页下端产生了 819MP 的内应力，有 0.65mm 的最大变形； 2.2.2. 模 态 时 上 部 合 页 下 端 211.3MPa 时 开 始 进 入 失 稳 状 态， 在 连 续 冲 击 时 有 1.618mm 的变形。 由 2.1.1、2.1.2、2.2.1、2.2.2 应 力 及 应 变 模型分析可知，6061T6 的力学性能也是优 于 6063T5。 在实际应用中 6061T6 的硬度为 95 度 （由表 2 可知），其加工性能极好，无粘 刀现象；氧化效果佳，无沙眼气孔，平整 度较好；加工面的光洁度也较好。6063T5 的硬度为 60 度（由表 1 可知），其加工性 较 6061T6 差一些，经常出现粘刀现象。由 以下对比图可以发现，6063T5 粘性较大， 不利于加工（见图 9）。 根据理论分析与实现应用已证明了 6061T6 优越性，现查阅《金属材料手册》 6061 广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性 高的各种工业结构件，如制造卡车、塔式 建筑、船舶、电车、铁道车辆。
在铝合金窗门中五金配件属于结构件，
参考文献：
[1] JG/T125-2007 《 建 筑 门 窗 五 金 件 合页（铰链）》.《材料力学》 科学出版社
[2]《金属材料手册》 . 化学工业出版 社
（作者单位：春光五金有限公司）
图 44 幕墙竖向剖面（左）和 ` 节点水平剖面（右）
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技术 · 贰零壹肆年第肆期
( 上接第 70 页 )
7. 结语 高度 500m 以上的超高摩天大楼，外维
护结构的选择就是采用玻璃幕墙。 玻璃幕墙的基本选择是：明框，单元式，
双夹胶中空或外夹胶内钢化中空。夹胶的 玻璃可以考虑采用半钢化。优先采用超白 玻璃，钢化玻璃应采用超白玻璃。
高度 500m 以上超高层摩天大楼的夹胶 玻璃，其中间层胶片宜考虑采用离子型胶 片 SGP。
铝合金材料 6061T6 与 6063T5 的 应用与理论研究
文 / 伍军
【摘 要】本文通过对铝合金材料 6061T6 和 6063T5 合页的力学性能分析对比，认为在铝合金门 窗中合页属于结构件，6061T6 更适合用于合页的生产。 【关键词】铝合金窗扇脱落；铰链连接；模拟风压；模态位移分析 【中图分类号】TU532.65 文献标识码：A 【文章编号】1671-3362(2014)04-0081-04
（作者单位：中国建筑科学研究院）
【中图分类号】TU392.5 【文献标识码】B 【 文 章 编 号】1671-3362(2014)04-006408
在建筑五金行业铝合金门窗使用的原 材料为 6063 已成为一个不争的事实，主要 原因是成本较低、供货状态一般为 T5，有 利于断桥型材隔热条的压入。但用于建筑 的铝合金型材的综合性能要求又远高于工 业型材标准，在国家标准 GB/T3190 中规定 6063 铝合金成分范围内，对化学成分的取 值不同，会得到不同的材质特性，当化学成 分的范围很大时，其性能差异会在很大范 围内波动，以致型材的综合性能会无法控 制。在 GB/T5237.1—2000 标准中要求 6063 铝 合 金 T5 状 态 型 材 的 σb ≥ 160MPa，T6 状态型材 σb ≥ 205MPa。在一般情况下型 材公司对 T5 状态交货的型材的设计强度为 180MP ～ 200MPa (Mg2Si 量大约为 0.8%)， 实践证明这一标准能满足门窗的设计要求。
(3)
式中： β ——门窗开启角度；
P——自然风压；假设门窗锁点数为 n:
F3'
=
P ×W
× H × cos β 2+ n
(4)
其上合页受力可简化为（图 4）：
F4
=
cosα
×
F1'
=
G 2
(5)
F=
F3'2 + F42 =
F3'2
+
(G 2
)2
(6)
在 实 际 测 试 中， 窗 扇 为 W=1300、
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6063T5 钻屑 图9
6061T6 钻屑
6063 合金广泛应用于建筑型材、灌溉 管 材、 供 车 辆、 台 架、 家 具、 升 降 机、 栅 栏等用的管、棒、型材。
3. 结论
所有基材重力和强度完全由结构件保证， 其材料选用相当重要，选用时其强度要大 于基材；在研究对比中 6061T6 更适用于合 页的生产。但一些厂家考虑到成本，选用 了稍便宜的 6063 是不可取的。
H=1200， 自 重 + 配 重 为 120kg。 但 没 有 施
加背向力以模拟风压，现假设可抗十二级
风 压（P=1280~1640 Pa）， 开 启 角 度 无 限
小（锁扣不锁闭）。其上部合页受力：
F4=600N
(7)
F3'
≈
1500 ×1.3 ×1.2 2
=
1170N
(8)
由（6）公式可知上部活页实际受力：
F ≈ 1315N。
由 表 1 可 知 6063T5 的 屈 服 极 限 应 力
σs=145MPa， 安 全 系 数 sn=2，[σ]=σs/sn；
6063 的许用应力 [σ]1=72.5MPa。
图5
由 图 5， 合 页 的 最 小 截 面 面 积
S1=4×42/2=168 m2；6063T5 合页正应力 δ1= 13.7 MPa。对 6063T5 形材的合页设计算可
然而在工程上经常发生铝合金窗扇脱 落的问题又是怎么回事呢？除装滑撑外（这 里不做研究对象），其他铝合金窗扇基本 由铝合金合页连接：一种是内开内倒；一 种是普通合页。这两种合页的实质性的力 学结构还是铰链连接，一般的断裂处就是 在合页处。从行业内铝合金合页的用料不 难发现同是 6063。
1. 以数学模型分析其力学性能
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技术 · 贰零壹肆年第肆期
a) 6063T5 静态应变位移图
b) 6063T5 静态应力分部图
c) 6063T5 模态位移分析 图7
d) 6063T5 失稳分析
a) 6061T6 静态应变位移图
b) 6061T6 静态应力分部图
c) 6061T6 模态位移分析 图8
d) 6061T6 失稳分析
切削性
耐蚀性
电导率 20℃ (68 ℉ )(%IACS)
密度 (20℃ ) (g/cm3)
一般
屈服强度 (25℃ MPa)
276
较好 硬度 500kg 力 10mm 球
95
40 ～ 50 延伸率 1.6mm(1/16in) 厚度
12
2.7 最大剪应力 MPa
205
图4
F3 = P ×W × H × cos β
在自然条件下，门窗不但受自身重力 的影响，还要受到风压的考验，由图 3 可 知其受力状态：
表1
焊接性 很好 抗拉强度 (25℃ MPa) 185
合金 6063-T5 机械和物理性能 (Typical Mechanical & Physical Properties)
切削性
耐蚀性
电导率 20℃ (68 ℉ )(%IACS)
由图 1 可知，合页的理论运行轨迹为
图1
图2 0°～ 180°，但实际安装中窗框离墙面有一 定距离，加上风撑的相关连接，所以窗扇 的开启角不大于 90°。0°～ 90°的受力基 本与 90°～ 180°受力情况相对称。
由 图 2 模 型 可 知： 上 合 页 受 拉 力 为 F1'， 下 合 页 受 压 力 为 F2'； 窗 扇 所 受 反 作 用 力 为 F1、F2； 窗 扇 重 为 G。F1'=F1， F2'=F2；(F1+F2)cosα=G；一般情况下，上下 合页是对称安装，故：F1=F2；
一般
很好
55 ～ 63
屈服强度 (25℃ MPa)
硬度 (500kg 力 10mm 球 )
延伸率 1.6mm (1/16in) 厚度
145
60
12
密度 (20℃ )(g/cm3) 2.7
最大剪应力 MPa
115
表2
焊接性 很好
抗拉强度 (25℃ MPa)
310
合金 6061-T6 典型机械和物理性能 (Typical Mechanical & Physical Properties)
知：
τ1
=
δ1
[σ ]1
=
5.29
=（静态计算结果）
(9)
由 表 2 可 知 6061T6 的 屈 服 极 限 应 力
σs=276 MPa， 安 全 系 数 安 全 系 数 sn=2，
[σ]=σs/sn；6061T6 的 许 用 应 力 [σ]2=138 MPa； 由图 5，同样 6061T6 合页正应力 δ2= 13.7 MPa；
τ2
=
δ2
[σ ]2
= 10.1（静态计算结果）
(10)
由 公 式 (9)、(10) 计 算 结 果 可 知 τ2 是 τ1
的 近 两 倍。 证 明 6061T6 的 力 学 性 能 优 于
6063T5。
2. 利 用 PRO/E 软 件 中 的 Mechanica 力学分析软件进行模拟分析
图 6 为建立的力学模型。