摘 要：以汽车用7003-T6铝合金为研究对象，采用电子万能试验机分别在室温、50、100、150、200、250 ℃下进行拉伸试验，采用扫描电子显微镜观察了铝合金拉伸断口形貌，并研究了铝合金材料的高温性能。结果表明：随拉伸温度的升高，合金的屈服强度、抗拉强度、最大力塑性延伸率和应变硬化指数呈单调下降趋势，而伸长率则上升；断口处韧窝尺寸增大，深度减小，滑移条带增多，强化相对位错运动的阻碍减弱，铝合金材料强度不断降低，延伸率却不断升高。
关键词：7003铝合金；高温；抗拉强度；最大力塑性延伸率；应变硬化指数
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。
1、试验材料和方法
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，%)
Table 1 Chemical composition of sample (mass fraction，%)
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、结果和分析
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
Table 2 The tensile test results
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。
3、结论
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。
参考文献
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