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        應(yīng)變速率對(duì)6082鋁合金拉伸性能及斷口形貌的影響

        2020-06-29 06:16:42董劉穎李秋梅馬龍飛劉兆偉何冬陽(yáng)
        熱處理技術(shù)與裝備 2020年2期
        關(guān)鍵詞:延伸率斷口塑性

        董劉穎,李秋梅,馬龍飛,劉兆偉,周 龍,何冬陽(yáng)

        (遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 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??梢钥闯?,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。

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