應(yīng)變速率對(duì)6082鋁合金拉伸性能及斷口形貌的影響

董劉穎，李秋梅，馬龍飛，劉兆偉，周 龍，何冬陽

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕和良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、成形性等特點(diǎn)[1-3]。隨著輕量化發(fā)展的需求，鋁合金越來越多的應(yīng)用于汽車、軌道車輛、航空、航天、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域，尤其在汽車行業(yè)，替代鋼用作汽車零部件，是實(shí)現(xiàn)輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[4]。

在鋁合金結(jié)構(gòu)碰撞和快速成型過程中，材料將發(fā)生高速變形。不同的變形速率將導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能發(fā)生改變，而高速拉伸試驗(yàn)是了解材料特性和變形速率相關(guān)性的基本方法之一。許多工程材料在變形甚至塑性失效的過程中，表現(xiàn)出與應(yīng)變速率正相關(guān)的特征，即隨著加載應(yīng)變速率的提高，材料的屈服強(qiáng)度與失效(斷裂)應(yīng)變也提高[5]。已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁合金屬于低應(yīng)變速率敏感性材料[6-7]。在室溫下，當(dāng)應(yīng)變速率超過1000 s-1時(shí)，鋁及鋁合金表現(xiàn)出逐漸增加的應(yīng)變速率敏感性[8]。

為研究鋁合金材料1000 s-1及以下的應(yīng)變速率敏感性，本文對(duì)6082鋁合金進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)與斷口分析，為正確評(píng)價(jià)不同應(yīng)變速率對(duì)鋁合金材料拉伸性能的影響提供參考。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)材料選用2.7 mm厚的6082合金擠壓型材，狀態(tài)為T6，其化學(xué)成分見表1。應(yīng)變速率設(shè)計(jì)為4個(gè)等級(jí)，分別為 1000、500、100、0.008 s-1，每個(gè)速率取4個(gè)高速拉伸試樣，選取接近平均值的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變處理，利用掃描電鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

合金試樣在不同應(yīng)變速率下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率和彈性模量，見圖1。從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率等于或低于0.008 s-1時(shí)，合金屬于靜載荷拉伸，強(qiáng)度最低，斷后延伸率最高。隨著應(yīng)變速率的提升，合金強(qiáng)度降低，斷后延伸率減小。而合金彈性模量在不同應(yīng)變速率下均無明顯變化。

圖2為合金試樣在不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，試樣在100、500和1000 s-1較高應(yīng)變速率下，隨應(yīng)變速率增加，流動(dòng)應(yīng)力增加幅度較明顯，表現(xiàn)出正應(yīng)變效應(yīng)。這主要因?yàn)殡S著應(yīng)變速率增加，位錯(cuò)增殖速率加快并塞積，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致加工硬化，流動(dòng)應(yīng)力增加，從而降低了合金塑性。試樣應(yīng)變速率為0.008 s-1時(shí)，隨著拉伸過程的推進(jìn)，峰值強(qiáng)度接近100 s-1，且塑性與其相當(dāng)，這說明應(yīng)變速率在100 s-1以下，應(yīng)變率敏感性將減弱。圖中還可看出，應(yīng)變速率對(duì)彈性階段的影響較小，這歸因于彈性變形的速率要遠(yuǎn)大于應(yīng)變速率，使應(yīng)變速率變化對(duì)其影響較小。相對(duì)而言，塑性變形階段需一定的時(shí)間經(jīng)歷位錯(cuò)增殖與運(yùn)動(dòng)，對(duì)不同材料，克服阻力的時(shí)間不同，因而應(yīng)變速率變化對(duì)合金應(yīng)力影響較為明顯。

(a)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；(b)斷后延伸率、彈性模量

(a)工程應(yīng)變-工程應(yīng)力；(b)真應(yīng)變-真應(yīng)力

2.2 斷口形貌

圖3為不同應(yīng)變速率下試樣斷口組織形貌，從圖中可知，在靜載荷、低應(yīng)變速率0.008 s-1下，以韌性斷裂為主，合金中位錯(cuò)密度較大，分布相對(duì)均勻，塑性較高，與拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致，且斷口附近具有明顯的頸縮現(xiàn)象。在應(yīng)變速率為100 s-1時(shí)，合金斷口出現(xiàn)明顯的解理面，位錯(cuò)臺(tái)階出現(xiàn)，韌窩變小，以脆性斷裂為主，合金的伸長(zhǎng)率下降，這可能是隨著拉伸過程試樣截面積的減小，應(yīng)變速率相應(yīng)的疊加，微觀形貌會(huì)發(fā)生韌窩-準(zhǔn)解理-解理的轉(zhuǎn)變[9]。而隨著應(yīng)變速率增加，合金斷口中位錯(cuò)密度下降，以裂紋相連形成的位錯(cuò)臺(tái)階更為明顯，韌窩數(shù)量變少且尺寸也變小，應(yīng)變速率1000 s-1時(shí)最為明顯，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。

(a)0.008 s-1；(b)0.008 s-1；(c)100 s-1；(d)100 s-1；(e)500 s-1；(f)500 s-1；(g)1000 s-1；(h)1000 s-1

3 討論

據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，金屬應(yīng)變率效應(yīng)是因?yàn)槲诲e(cuò)變形時(shí)位錯(cuò)密度隨應(yīng)變量的加大，使流動(dòng)應(yīng)力增加，而位錯(cuò)密度的降低和位錯(cuò)的重新排列，又降低了流動(dòng)應(yīng)力，即加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化相互作用[10]。合金在準(zhǔn)靜態(tài)或較低應(yīng)變速率下是一個(gè)等溫過程，而在高應(yīng)變率下，是一個(gè)絕熱升溫過程。材料的屈服應(yīng)力還受溫度的影響，高溫使材料的屈服應(yīng)力下降，在高應(yīng)變率和高溫相互耦合作用下，鋁合金構(gòu)成了復(fù)雜的應(yīng)變率現(xiàn)象[11]。由此可知，當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到一定值時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)合金強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)6082-T6鋁合金應(yīng)變速率在0.008～1000 s-1區(qū)間時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，合金流動(dòng)應(yīng)力增大，塑性減小。

2)應(yīng)變速率影響合金的斷口形貌，高應(yīng)變速率下的斷口位錯(cuò)臺(tái)階形貌明顯，數(shù)量多,韌窩少而小，以脆性斷裂為主；靜載荷低應(yīng)變速率斷口韌窩較深，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。