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二、开展的课题研究

6063铝合金型材的韦氏硬度与抗拉强度 关系研究

作者:胡富仁  日期:2017-06-20  来源:佛山市质量计量监督检测中心,广东佛山528225  关注:211

6063铝合金型材的韦氏硬度与抗拉强度关系研究

胡富仁

(佛山市质量计量监督检测中心,广东佛山528225)


     [摘要]:当前,6063铝合金被越来越广泛地应用于建筑、装饰和工业生产等领域,因此,对它的强度要求也越来越受到关注。随着生产的自动化和效率的提高,如何迅速、准确地对它的强度进行合理的判定,以利于为各相关生产厂家的生产过程和控制产品质量提供更好的、具有实际意义的指导作用,也就成为了我们目前迫切需要解决的问题。由于硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力,因此,金属材料的硬度和强度之间存在一定的内在联系,文章将运用最小二乘法对6063铝合金的韦氏硬度值与抗拉强度值的关系展开研究,建立它们之间的关系式,可以较快地得出强度值。

[关键词]:6063铝合金;韦氏硬度;抗拉强度;最小二乖法;线性相关

     中图分类号:TG175.3


A research on the relationship of 6063 aluminium alloys between webster hardness and tensile strength

Hu Furen

(Foshan Supervision Testing Centre of Quality and Metrology,Guangdong Foshan 528225)


     [Abstract]: 6063 aluminium alloys are widely used in the fields of bulding、decoration and industrial manufacture today,therefore,we pay attention to its strength requirement more and more.How to get its strength quickly and accurately so that we can provide a best and practical guiding way for the production process and quality control of the manufactuer,is now a problem we need to solve urgently.Because hardness reflects the resistance of plasticity in part of the material,we can see that there is a relationship between hardness and strength. This paper will make a resesrch on the relationship between webster hardness and tensile strength, using a way of least square method to build up a formula,then we can get the strength quickly through out the relationship formula.

     [Key words]:6063 aluminium alloys;webster hardness;tensile strength;least square method;linear dependence


1 前言

     众所周知,由于硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力,因此,金属材料的硬度和强度之间存在一定的内在联系,强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高[1]。实际应用中,硬度试验是一种最为简便的力学性能测试方式,它不仅测试方法简单,操作容易,试验快捷,而且对被测物件的损伤也很小,因此在实际工作中得到了广泛的应用。为此,人们一直致力于研究用测量得到的硬度值来换算金属材料的抗拉强度的方法,该方法在实际应用中具有简便、迅速的优点,人们已经提出了不少用硬度法来确定抗拉强度的表达式,但多数是适用于钢铁及铁基合金,而针对铝合金的表达式很少。锺永红[2]曾经用来讨论过6系列铝合金型材的维氏硬度和抗拉强度的关系,然而根据该文献统计,44个试样中只有23个(占比52%)符合误差范围,可见该公式换算得出的结果值误差较大,不能反映材料的实际抗拉强度值。后来,林光磊[3]也对6063铝合金型材维氏硬度与强度的线性关系进行过研究,得出关系式图片12.jpg,该关系式具有较高的线性相关系数(r=0.92),虽然能够较好地反映维氏硬度与抗拉强度的关系,但也存在±20.52Mpa的范围误差。而且,采用维氏硬度方法也存在一些实际应用上的不足之处,比如通常需要破坏样品来制样,对试样要求抛光打磨,试验过程对环境要求高,不能有振动,设备成本高等。采用韦氏硬度,相比维氏硬度计具有设备成本更低、更轻便、便於携带,可直接、无损地测量材料和试样的硬度,检测过程更简单直观,效率更高等优点。因此,韦氏硬度计已经广泛地应用于各个铝合金生产厂家的现场快速检验。本文将针对当前应用最广泛的6063铝合金建筑型材、装饰型材和工业型材,运用最小二乘法对韦氏硬度值与抗拉强度值的关系展开研究,建立它们之间的关系式,从而为各相关生产厂家的生产过程和控制产品质量提供更好的、具有实际意义的指导作用。


2 试验条件与方法

2.1 合金及状态

      6063铝合金是属于可热处理强化合金,Mg和Si是主要合金元素[4]。本文采用同一牌号的不同状态的一组不同韦氏硬度值的铝合金挤压型材,合金状态有T4,T5,T6。

2.2 拉伸试验

2.2.1 拉伸试验机

      拉伸试验机采用英国HOUNSFIELD公司生产的H50KT微机控制电子万能试验机,精度为0.5级,最大量程为50KN。

2.2.2 拉伸试样

      采用GB/T228.1《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》中试样编号为P5的非比例试样,其平行部分宽度为12.5mm、原始标距为50mm。

2.2.3 拉伸条件

      拉伸试验过程中,弹性阶段采用的动横梁速率为3mm/mim,屈服过后阶段采用的动横梁速率为8mm/min。

2.3 韦氏硬度试验

2.3.1 韦氏硬度计

     韦氏硬度计分为美国的B型和我国的W-20型两种[5],本文采用美国的B型韦氏硬度计。

2.3.2 硬度试样

      采用拉伸试验之前的试样。实际生产过程中,可使用经时效处理的挤压型材坯料,而不需要破坏原材料。

2.3.3 试验条件

      韦氏硬度按YS/T420《铝合金韦氏硬度试验方法》的规定进行试验。


3 试验结果及分析

3.1 试验结果数值表

      本文共制取了35组试样,为了更好地反映出6063铝合金挤压型材的实际抗拉强度值,本文直接选用实际测得的韦氏硬度值,而不是选用0.5HW的修约结果值。所测得的韦氏硬度值及抗拉强度值如下表1所示:


                       表1 (table 1)

样品编号

样品厚度(mm)

合金状态

韦氏硬度值(HW)

抗拉强度值(MPa)

1

1.12

T4

8.0

173.3

2

1.1

T5

10.0

198.5

3

1.4

T5

10.2

203.4

4

2.51

T5

11.4

210.6

5

2.2

T4

8.5

178.2

6

2.3

T5

9.2

185.3

7

1.76

T5

9.0

187.0

8

1.8

T5

10.5

206.8

9

1.96

T4

9.5

189.0

10

2.1

T5

11.0

212.7

11

2.32

T6

11.5

217.3

12

2.5

T4

10.7

208.6

13

2.14

T6

12.5

226.5

14

2.46

T5

12.0

221.0

15

0.98

T4

12.4

226.9

16

10.6

T5

11.5

211.4

17

1.1

T6

13.5

240.8

18

2.9

T5

12.6

228.1

19

2.65

T4

11.8

216.5

20

1.9

T6

13.5

242.1

21

2.29

T4

14.0

256.3

22

1.75

T6

13.7

242.0

23

1.4

T6

13.0

234.6

24

1.56

T5

11.3

214.6

25

1.48

T5

12.0

218.9

26

2.5

T6

15.0

273.2

27

3.02

T6

14.2

261.4

28

2.42

T4

9.7

200.5

29

1.4

T6

15.5

278.6

30

1.16

T5

12.5

225.8

31

2.1

T5

13.0

236.4

32

1.56

T5

13.5

250.7

33

1.8

T6

14.5

264.9

34

2.86

T6

15.0

272.0

35

3.02

T6

14.8

269.5 

把相应的硬度和强度值建立成数组,(X1,Y1),(X2,Y2)……(Xn,Yn),并在直角坐标系中表示出来,如下图1所示:

图片1.jpg

                                    图1(fig.1)

      由图可见,韦氏硬度值和抗拉强度值组成的数组基本集中在一条直线的附近。因此,我们可以用最小二乘法将这条曲线进行线性拟合。

3.2 运用最小二乘法拟合曲线

      最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。铝合金挤压型材的韦氏硬度和抗拉强度之间存在线性关系,设代表抗拉强度值,代表韦氏硬度值,则它们之间的关系式为:

                                   y=ax+b

由最小二乘法的原理可知:

      图片2.jpg,将表1对应的数值代入,可得

     a=14.00426

      图片3.jpg表示韦氏硬度实测值的平均值,图片10.jpg表示抗拉强度实测值的平均值,代入可得

    b=56.78871

    因此,抗拉强度和韦氏硬度之间的一元线性关系式为

                     图片4.jpg

   根据关系式,我们可以得出实测值与计算值之间的对比关系,如表2及图2所示。

                                     表2(table 2)

样品编号

样品厚度(mm)

合金状态

韦氏硬度值(HW)

抗拉强度

实测值

Rm(MPa)

抗拉强度

计算值Rm1(MPa)

误差图片11.jpgRm(MPa)

1

1.12

T4

8.0

173.3

168.8

4.5

2

1.1

T5

10.0

198.5

196.8

1.7

3

1.4

T5

10.2

203.4

199.6

3.8

4

2.51

T5

11.4

210.6

216.4

-5.8

5

2.2

T4

8.5

178.2

175.8

2.4

6

2.3

T5

9.2

185.3

185.6

-0.3

7

1.76

T5

9.0

187.0

182.8

4.2

8

1.8

T5

10.5

206.8

203.8

3.0

9

1.96

T4

9.5

189.0

189.8

-0.8

10

2.1

T5

11.0

212.7

210.8

1.9

11

2.32

T6

11.5

217.3

217.8

-0.5

12

2.5

T4

10.7

208.6

206.6

2.0

13

2.14

T6

12.5

226.5

231.8

-5.3

14

2.46

T5

12.0

221.0

224.8

-3.8

15

0.98

T4

12.4

226.9

230.4

-3.5

16

1.06

T5

11.5

211.4

217.8

-6.4

17

1.1

T6

13.5

240.8

245.8

-5.0

18

2.9

T5

12.6

228.1

233.2

-5.1

19

2.65

T4

11.8

216.5

222.0

-5.5

20

1.9

T6

13.5

242.1

245.8

-3.7

21

2.29

T4

14.0

256.3

252.8

3.5

22

1.75

T6

13.7

242.0

248.6

-6.6

23

1.4

T6

13.0

234.6

238.8

-4.2

24

1.56

T5

11.3

214.6

215.0

-0.4

25

1.48

T5

12.0

218.9

224.8

-5.9

26

2.5

T6

15.0

273.2

266.8

6.4

27

3.02

T6

14.2

261.4

255.6

5.8

28

2.42

T4

9.7

200.5

194.6

5.9

29

1.4

T6

15.5

278.6

273.9

4.7

30

1.16

T5

12.5

225.8

231.8

-6.0

31

2.1

T5

13.0

236.4

238.8

-2.4

32

1.56

T5

13.5

250.7

245.8

4.9

33

1.8

T6

14.5

264.9

259.8

5.1

34

2.86

T6

15.0

272.0

266.8

5.2

35

3.08

T6

14.8

269.5

264.0

5.5


图片5.jpg

                              图2(fig.2)

3.3 线性关系式分析

3.3.1 线性相关系数r的分析

 通过最小二乘法得出的关系式,其线性相关系数r是衡量两个变量之间线性关联程度的指标,其数值越接近1,说明两个变量之间的线性相关联程度越高。r的公式为:

    图片6.jpg,式中n为试验次数,n=35,将表1数据代入可得,

    r=0.9868

    可见,r值比较接近1,说明式线性相关联程度较高,具有实际应用价值。

3.3.2 估计标准误差s的分析

估计标准误差s是用来反映回归误差水平的多种指标中数学性质最优良,最科学,应用最广的一种方式,是说明实际值与估计值之间相对偏离程度的指标。通过计算该指标,测定出回归误差的一般水平后,可据此评价回归方程的代表性,因变量估计值(抗拉强度值)的准确性,并对因变量做出不确定性的概率估计。其公式为

    图片7.jpg,代入数据后得

     s=4.67

     根据正态分布的性质可以知道,抗拉强度的实测值落在(Rm1-2S, Rm1+2S)区间的概率为95%。由表2可见,由式计算得出的抗拉强度值与实际值之间的绝对误差图片11.jpgRm全部都小于2S,即9.34MPa


4 结论

     经由以上试验数据运用最小二乘法得出的关系式图片8.jpg(即图片9.jpg)分析可知,6063系列铝合金型材的韦氏硬度和抗拉强度之间具有密切的一元线性关系,其线性相关系数为r=0.9868,误差为S=4.60。通过该关系式,为我们提供了一种有效预测6063铝合金型材抗拉强度的方法,当我们知道了产品的韦氏硬度值,就可以推断出它的抗拉强度值,反之,当客户提供了要求达到的抗拉强度值,我们也可以通过该公式推断出相应的韦氏硬度值。因此,了解它们之间的关系,对指导生产、制订生产工艺、控制产品质量具有指导意义,减少了力学性能的检测成本,提高检测效率。


参考文献:

1.崔虹雯等等编.机械制造基础[M],北京:中央广播电视大学出版社,2006

2.锺永红.6XXX系列铝合金挤压型材抗拉强度与硬度关系探讨[J].有色金属加工,2001,30卷(6期):39-41.

3.林光磊.6063铝合金型材维氏硬度与强度的线性关系[J].轻金属加工技术,2002,30(1期)29-31.

4.潘复生.张丁菲.铝合金及应用[M].北京:化学工业出版社,2006

5.YS/T420.铝合金韦氏硬度试验方法[S]

References:

1.Cui Hongwen,etc. fundamental of mechanical manufacture[M],Beijing: China Central Radio & TV University Press,2006

2.Zhong Yonghong.A Probe into the Relation Between Tensile Strength and Hardness of 6XXX Series Aluminum Alloy Extrusion Profiles[j].Nonferrous metals processing,2001,Vol.30 No6:39-41

3.Lin Guanglei.Linear Relationship between Vickers-hardness and Strength of 6063 Aluminium Alloy Profile[j].2002,Vol.30,No1:29-31.

4.Pan Fusheng.Zhang Dingfei. Aluminum Alloy and apply[M].Beijing:Chemical Industry Press,2006

5.YS/T420.Aluminium alloys webster hardness standard test method[S].

   

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