铝的应力-应变特性

无论从它在周期表中的位置, 在金属和非金属元素之间的极限, 原子数为 13, 从它的面中心立方 (FCC) 结构, 很明显, 铝是最化学活性的元素之一。事实上, 它对氧气有很强的亲和力, 这似乎使铝容易受到腐蚀。有趣的是, 新生产的铝的表面将立即与氧气反应, 产生一个薄, 相对稳定和惰性氧化物层, 保护基本金属的氧化和其他类型的化学攻击。这种表面性质, 除了其相对轻量的性质和硬度, 是什么使铝成为一个非常理想的建筑材料。

铝表面的氧化物涂层通常非常薄 (大约50到100Å), 并且紧紧地附着在基体材料上, 不同于钢中常见的铁氧化物。氧化物层是如此薄, 它不影响铝的力学性能, 几乎是透明的眼睛, 从而不减损材料的审美品质。有许多阳极氧化技术, 可用于提高这一氧化物层的厚度, 以提高其腐蚀和耐磨性。铝在使用前要考虑的一个潜在缺点是它在相对较低的温度下熔化, 因此不适用于高温应用。

铝的重量轻, 密度约为钢的 1/3;这1/3 的关系也适用于弹性模量的弹性, 这通常被视为约 70GPa (1万 ksi) 铝。它的强度和其他机械性能, 这是非常低的纯状态, 可以大大改善合金和热处理, 就像钢铁一样。加强也可以通过冷工作或应变硬化, 其中的材料是轧制或绘制通过模具导致减少的工作表或酒吧的面积。

铝的主要合金添加物是铜、锰、硅、镁和锌。其他元素也增加在少量为五谷提炼和开发特别物产:

• 铜在铝中具有明显的溶解度, 并通过合金的时效硬化特性赋予了坚固的强化作用。许多铝合金含有铜, 无论是主要的加法, 还是主要的合金元素, 浓度为1到10%。
• 锰在铝中的固溶性有限, 但浓度约为 1%, 是一种重要的非热处理锻铝合金系列。
• 硅降低熔点, 增加铝的流动性。增加硅还提供了适度的强度增长。
• 镁为铝的工作硬化特性提供了大量的强化和改进。它在固体铝中的溶解度相对较高, 但含少于7% 毫克的铝镁合金没有明显的热处理特性。镁也加入了与其他元素, 特别是铜和锌, 以更好地提高强度。
• 锌是在铸造合金中使用的, 并与锻制合金中的镁结合在一起制造出铝合金中强度最高的可热处理合金。
• 锡改善了铝的减摩特性, 铸造铝锡合金常用于轴承。
• 铜和硅在常用的 3 x 系列铸造合金一起被合金化。在热处理和非热处理合金中都能得到理想的特性和性能范围。
• 镁和硅以近似比例增加, 形成镁₂Si, 这是锻造和铸造合金时效硬化的基础。

两种一般类型的铝制品被普遍认可: 锻造和铸造。任何铝由流动的材料形成砂或永久性模具, 被压铸, 或由任何其他工艺铸造是最终形式, 被称为铸铝;任何其他产品被视为锻造产品。在美国, 铝锻合金 (板材、板材、挤压件和锻件) 有一个四位数的标识号, 而铸造合金在小数点左边有一个三位数字, 小数点右边有一个数字 (见表 1)。第一个数字定义了锻造和铸造合金的主要合金成分。主要合金成分通常是5% 或更少 (按重量) 在锻造合金和相同或更高的铸造合金。大多数合金含有两到四其他元素, 但比主要合金成分的数量要小得多。在锻制合金的指定, 1XXX 系列的最后两位数字给出的最低铝百分比在99.00% 以上。在2XXX 到9XXX 系列中, 最后两个数字指定为该系列注册的单个合金。第二位数选定原始的合金的修改。铸件的合金命名系统类似。在这种情况下, 第二个和第三个数字给出了 lXX 合金的最低铝百分比99.00% 以上。在2XX。X 到9XX。X 系列, 第二个数字是在系列中注册的单个合金。对于铸造合金, 小数点右侧的数字提供了产品形式: 0 用于铸件, 1 和 2 (比1更窄的成分限制) 用于钢锭。合金在 2, 6 和7组是热治疗。

表 1: 锻铸铝合金的命名系统。

锻制合金		铸造合金
合金	主要合金成分	合金	主要合金成分
1XXX	99% 最小铝材	lXXX. X	99% 最小铝材
2XXX	铜	3XX。X	硅, 铜和/或镁
3XXX	锰	4XX。X	硅
4XXX	硅	5XX。X	镁
5XXX	镁	7XX。X	锌
6XXX	镁和硅	8XX。X	锡
7XXX	锌
8XXX	其他元素

此外, 一个回火号码用来指示产品是如何制造的, 并适用于锻造和铸造产品。F 和 O 的脾气适用于所有的合金和产品形式。脾气指定 TXXXX 适用于合金和产品形式, 接受和响应热处理后, 制造。据说这些合金是可热治疗的.在2XXX、6XXX、7XXX 系列和铸造合金中的锻制合金一般都在这个组中。非热处理合金通过应变硬化获得其强度和其它特性, 并指定 H 的回火。本组包括 1 XXX、3XXX 和5XXX 系列。关于脾气的更多细节包含在各种各样的铝协会参考文件。

基本的脾气是:

• "F" 或捏造: 适用于成型工艺的产品, 在这种过程中不使用对热或工作硬化条件的特殊控制。
• "0" 或退火: 适用于已加热以影响再结晶和产生最低强度条件的锻制品, 以及用于退火以提高延性和尺寸稳定性的铸造产品。
• "H" 或应变硬化: 适用于通过冷加工强化应变硬化的锻制品;应变硬化后可进行补充热处理, 从而产生一定的强度降低。H 总是后跟两个或更多位数。有三基本的应变硬化类别: HI, H2 和 H3, 其中第一个数字表明基本操作 (1 = 应变硬化只; 2 = 应变硬化和部分退火; 3 = 应变硬化和稳定)。第二位数表示应变硬化的程度 (1 = 季度; 2 = 一半; 3 = 满; 4 = 额外硬)。
• "W" 或溶液热处理: 一种不稳定的回火, 仅适用于常温下溶液热处理后自然老化的合金。
• "T" 或热处理: 适用于热处理的产品, 有时辅以应变硬化, 以产生除 F 或0以外的稳定回火。T 总是后跟一个或多个数字。基本上, 热处理后的铝合金自然会在室温下老化, 并通过沉淀硬化来强化。

图1显示了 6061 T6 铝的典型应力应变曲线。这是一种材料, 具有良好的强度和刚度, 容易完成和阳极处理。6061 T6 铝通常用于许多电子产品的外壳, 如笔记本电脑和电视机。

图1中的应力-应变曲线并不表现出一个尖锐的屈服点, 而是弹性弹性模量的逐渐减小。为了确定一个用于工程目的的屈服点, ASTM 和其他组织采用了0.2% 偏移方法。如图2所示, 这需要为行为的线性部分确定最佳拟合线, 并绘制一条与相似斜率开始于0.2% 应变的直线。第二线与应力-应变曲线相交的强度被任意定义为屈服强度。

图 1: 热处理铝的典型应力应变曲线。

图 2: 没有明显屈服点的材料屈服强度的定义。

从测量和图3中, 热处理铝, 如本试验中使用的 6061T6, 通常会在 8%-13% 范围内表现出% 伸长率。重要的是要注意到, 几乎所有的变形是局部的小体积, 因此,%elongation 只是一个平均值;当地的应变可能会高得多。还要注意的是,%reduction 的面积也是一个非常困难的测量, 使表面不均匀;因而这个价值将可观地范围。

试样公称直径	0.335	在.
中心直径	0.340	在.
试样长度	10。0	在.
锥形截面长度	4。0	在.
原量具长度	1.987	在.
距离到手柄	5.471	在.
十字头速度屈服	0.05	in./分钟
十字头速度后产量	0。5	in./分钟
预 紧	200	磅。
拉伸屈服载荷	3800	磅。
麦克斯。拉伸载荷	4100	磅。
断裂载荷	3000	磅。
最终量具长度	2.157	在.
最终直径	0.271	在.

表1。圆形 6061 T6 铝试样拉伸试验结果。

图 3-铝试样中的颈缩. 

图 4-典型的半韧性失效表面. 

一般情况下, 这些变化将不同于韧性剪切 (杯锥) 断裂和脆性劈裂断裂。图3和图4所示的故障与这一过程是一致的, 但与朱庇特视频中关于 "钢的应力-应变特性" 的热轧钢相比, 这种铝的延展性更低。因此, 即使%elongation 相对较大, 这种故障也可以被描绘为半韧性。典型的结果如图1所示。

本实验描述了如何获得典型铝的应力应变曲线。应力-应变曲线的差异可以追溯到加工过程中的差异 (如铸件、挤出、热处理或冷加工) 和化学成分 (如合金的类型和百分比)。这些工艺和合金提高铝的强度的因素, 20 至60倍的纯材料。试验表明, 铝是一种在单轴张力载荷下的韧性材料。

铝是一种非常多才多艺和坚韧的材料。铝业协会说, "它的应用范围从每天的项目, 如节油汽车, 智能手机, 拉链和箔, 以布线国家的电网, 顶端的华盛顿纪念碑和住房的国际空间站。...一个惊人的75% 的所有铝生产仍然在使用中。回收铝生产只需要8% 的能源, 并创造8% 的排放量与初级生产相比。

本文介绍的张力试验的最重要应用是在铝加工过程中的质量控制。ASTM 标准要求在每种铝热的代表性样品上运行这种测试, 这些结果必须可追溯到既定的基准。铝制造商使用 ISO/TS 16949 等标准, 类似于汽车及相关行业的材料 QC/QA。

在烹饪行业中, 铝箔依赖于拉伸试验, 以确保箔具有足够的柔韧性能, 易于手工操纵。苏打罐也一样--足够结实, 可以在举行时留在原地, 但在需要时容易压碎。