大型铝合金挤压型材表面粗晶粒层分析

大型铝合金挤压型材表面粗晶粒层分析

本文针对轨道列车用6005A铝合金大型材生产过程中常出现粗晶层的情况，对其进行实验强度分析。通过实验分析，得出不同厚度的粗晶层对产品使用的影响。最终得到适合企业生产的铝合金材料的最佳条件。

标签：车辆用大型铝合金型材；6005A合金；粗晶层

高速列车或地铁的运行寿命一般为20～30年，车体至少要承受上千万次的震动。这就要求车体材料要具有非常好的疲劳性能以满足各项疲劳强度要求。轨道客车使用的大型铝合金挤压型材在国产化生产过程中，经常出现表面粗晶层问题。这直接影响着列车的使用寿命，如何解决这一问题对车辆型材的生产来说非常关键。本文通过对比欧洲车辆制造厂家对型材表面粗晶层的要求，针对表面粗晶层的出现对产品强度产生的不良影响，从挤压工艺、模具设计等方面对影响表面粗晶层的因素进行研究，以求提高大型铝型材的生产质量。

1 型材表面粗晶粒层形成机理

表面粗晶层产生的机理十分复杂，其产生原因与很多因素有关，到目前为止国内外还没有统一的共识，主要有：铜、锰等金属含量比例影响的观点；合金临界变形度观点；再结晶生成观点以及高温挤压摩擦变形的观点。一般情况下人们认为，挤压筒内的铝合金铸锭在挤压轴压力作用下向前移动，铸锭外层金属在高压下与挤压筒内壁产生摩擦，形成剪切变形，变形热使该位置材料的温度升高，进而使金属的自由能提高，当将其热量升到适当温度时重新形成晶核并长大，形成再结晶。再结晶之后一般可得到细而均匀的等轴晶粒，但如果温度利于晶粒长大或加热保温时间过长，再结晶晶粒会长大成为粗大晶粒。同时，剪切变形会使表层晶格畸变，晶粒破碎严重。一般情况下，大型铝型材表面粗晶层经常出现在型材壁厚的外部，宽扁形状的型材在宽度方向的两端容易出现；空心型材在熔合缝附近容易出现；挤压型材沿长度方向上分布规律是头端浅尾部深，严重情况下在整个截面上都是表面粗晶层。

欧洲的高速列车、地铁和轨道列车起步较早，其轨道车辆用铝合金型材的技术标准中对于表面粗晶层这一项有非常具体的要求而我国的轨道车辆用型材在这方面，到目前为止还没有专业权威的技术标准出台。

2 表面粗晶层对产品使用的影响

表面粗晶层深度较深的产品，对材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率及疲劳性能都有较大的影响。本文对不同厚度的表面粗晶层进行试验。试样在三块6005A铝合金型材上截取、固溶处理加人工时效处理（T6状态）；试样壁厚为2.5mm；其中在每块型材上取两件拉伸试样，试样沿挤压方向截取；取两件疲劳试样，试样沿挤压方向截取。取样方法见表1。

在拉伸试验中，选用的试验设备为CSS44100电子万能试验机，试验标准依据欧洲标准BS EN10002-1：金属材料的拉伸试验标准执行。表2是上述拉伸试样做拉伸试验的数据。

在疲劳试验中，选用的试验设备为MTS液压伺服疲劳试验机，试验标准依据欧洲标准EN13981-1：金属材料疲劳试验标准执行。试验规范：最大应力：σmax=110Mpa；应力比：R=0.1；试验循环基数：1×107；试验频率：<200HZ。试验参数见表3、试验结果见表4。

3 结论

从上述试验数据可以看出：

（1）虽然部分材料的表面粗晶层厚度超过要求，但其抗拉强度、屈服强度、延伸率都能够达到标准要求的数值，只是在各项指标上要小许多。

（2）当表面粗晶层达到壁厚的3/4时，其在静载荷下的性能合格，但其疲劳性能有合格，有不合格，试样1中的试验结果相差很大，原因可能是因为材料本身的其它内部缺陷影响的，如：偏析、疏松、夹杂等。

（3）当表面粗晶层充满整个型材壁厚时，其抗拉强度、屈服强度、延伸率仍然能够达到欧洲标准的要求-仅仅是略大于欧洲标准，但其疲劳性能非常不好，远达不到标准要求。

（4）当表面粗晶层厚度为型材壁厚的1/10左右时，无论是静态强度还是疲劳强度都非常好。可以满足生产要求。

参考文献：

[1]肖亚庆，谢水生，刘静安等.铝加工技术实用手册[K].冶金工业出版社，2005.