謝東洋， 陳愛軍， 董亞偉

（南京理工大學 理學院，南京210094）

0 引 言

材料受到非對稱應力循環(huán)載荷時會產生塑性變形的循環(huán)累積，這種現(xiàn)象稱為棘輪效應。工程實際問題中的構件產生棘輪效應，會導致疲勞壽命減少，甚至會導致構件的變形超限而提前報廢，這是構件的壽命評估和結構可靠性分析必須考慮的因素。要解決這項難題，必須要系統(tǒng)地研究材料的循環(huán)變形，探究材料應變控制循環(huán)的相關特性和應力控制循環(huán)的棘輪行為，進而建立相關的循環(huán)塑性本構模型去準確預測棘輪變形。近30年來，為了探索金屬材料的棘輪行為，學者們開展了大批實驗研究和各類本構模型研究，使棘輪行為的研究得到了發(fā)展[1-3]。目前，對棘輪效應的實驗研究主要有以下幾類：在應力狀態(tài)方面，分為單軸棘輪效應實驗和多軸棘輪效應實驗；在應力水平方面，通過改變平均應力和應力幅值，研究應力水平對棘輪效應的影響；在溫度方面，在不同的溫度[4]下開展了大量的棘輪效應實驗；在材料方面，對各類金屬、合金[5]及復合材料[6]等開展了大量的棘輪效應實驗；此外，還在腐蝕環(huán)境[7]、蠕變[8]、時間相關性[9]等方面開展了棘輪效應實驗。在棘輪效應相關實驗中，平均應力和應力幅值是影響材料棘輪行為的主要因素[10]之一，大部分實驗的開展均是通過控制平均應力和應力幅值加載條件，來討論材料的棘輪行為。然而關于材料的應變循環(huán)特性和棘輪行為受加載歷史影響的研究比較缺乏，并且對非室溫環(huán)境下材料棘輪行為的研究也不夠深入，對于全面揭示材料棘輪行為來說，這些方面仍然需要大力發(fā)展。因此，本文對6061鋁合金分別進行室溫與150 ℃的單軸應變循環(huán)加載和單軸非對稱應力循環(huán)加載實驗，探究了6061鋁合金在室溫與150 ℃下分別具有怎樣的單軸應變循環(huán)特性和單軸棘輪行為，同時也為今后關于塑性循環(huán)本構模型方面的理論研究工作提供實驗參考。

1 實驗條件

實驗材料為6061鋁合金棒材，機械加工前，首先對6061鋁合金進行T6熱處理，即6061鋁合金先經535 ℃保溫6 h，后經90 ℃的水中淬火至少5 min，再經165 ℃低溫爐時效4 h。6061鋁合金經過T6熱處理后進行機械加工，試樣形狀為單軸實心圓棒，其尺寸如圖1所示。室溫實驗試樣標距段的長度為18 mm，標距段的直徑為6 mm；150℃實驗試樣標距段的長度為30 mm，標距段的直徑為10 mm。6061鋁合金的主要化學成分如表1所示。

表1 6061鋁合金的化學成分質量分數(shù) %

圖1 單軸實心圓棒的6061鋁合金試樣尺寸

實驗設備采用MTS809-25kN電液伺服試驗機，其控制系統(tǒng)為TestStar控制器。計算機操作系統(tǒng)為Window NT，使用TestWare/SX作為MTS應用軟件。采用MTS653系統(tǒng)作為高溫發(fā)生與控制設備，軸向均溫區(qū)范圍為50 mm，在均溫區(qū)范圍以內的溫度梯度為±5 ℃，溫度控制精度為±1℃。采用單軸應變引伸計進行常溫應變的測量，標距為5 mm，采用高溫應變引伸計進行高溫應變的測量，標距為25 mm，MTS載荷傳感器及應變引伸計的測量精度均為0.5級。通過控制系統(tǒng)對加載實驗進行參數(shù)控制和數(shù)據(jù)采集。在沒有特別指出時，本文應變控制循環(huán)實驗中：應變率即控制應變改變的速率均為2×10-3/s；非對稱應力控制循環(huán)實驗中，應力率即控制應力改變的速率均為100 MPa/s。本文中，σa代表響應應力幅值，定義為σa=（σmax+σmin）/2，棘輪應變用εr表示，定義為εr=（εmax+εmin）/2。其中：σmax、σmin分別表示在實驗每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應力；εmax、εmin分別表示在實驗每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應變。此外，在循環(huán)實驗中，棘輪應變率表示后一周循環(huán)相比于前一周循環(huán)時棘輪應變εr的改變量，定義為dεr/dN。

2 室溫與150 ℃的力學性能

為了解T6熱處理后6061鋁合金的基本力學性能，并為后續(xù)的循環(huán)變形實驗制定合理的應力/應變工況提供參考的單拉曲線，首先在室溫下對6061鋁合金進行了單軸拉伸實驗。圖2（a）給出了6061鋁合金在不同應變率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的單軸拉伸曲線，圖2（b）給出了6061鋁合金在變應變率（每拉伸0.02的應變時改變一次應變率，應變率改變順序為4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）下的單軸拉伸曲線。從圖中可以看出，6061鋁合金沒有明顯的屈服平臺，不同應變率下材料的應力應變響應曲線有所不同。這說明6061鋁合金在室溫下體現(xiàn)出一定的應變率敏感性，應變率低時材料響應應力較高。

圖2 室溫環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線

為了與室溫下材料的力學性能進行比對，進而在150℃下對6061鋁合金進行了單軸拉伸實驗。圖3（a）給出了150 ℃下不同應變率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的單軸拉伸曲線，圖3（b）給出了150 ℃下變應變率（每拉伸0.02的應變時改變一次應變率，應變率改變順序為4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）的單軸拉伸曲線。從圖中可以看出，6061鋁合金在150 ℃時也體現(xiàn)了一定的應變率敏感性，但是150 ℃下應變率高的材料應力響應略大，這與常溫時的特性截然相反。如圖3（b）所示，當應變從約0.06增到約0.08時，材料出現(xiàn)了失穩(wěn)變形，這是因為此時的材料變形開始形成頸縮而使面積減小。

圖3 150 ℃環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線

3 室溫與150 ℃的單軸應變循環(huán)特性

為了揭示6061鋁合金的單軸應變循環(huán)特性，在室溫和150 ℃下分別開展了兩類單軸應變控制循環(huán)實驗：1）平均應變恒定，改變應變幅值的多級加載實驗；2）應變幅值恒定，改變平均應變的多級加載實驗。

3.1 兩種溫度下應變幅值的影響

為討論應變幅值對材料循環(huán)變形行為的影響，通過改變應變幅值，在室溫和150 ℃下分別開展了單軸應變控制循環(huán)的多級加載實驗研究。圖4給出了室溫下平均應變?yōu)?，應變幅值歷史為①±0.6%（100 c）→②±0.8%（100 c）→③±0.6%（50 c）的單軸應變控制循環(huán)多級加載實驗結果（c表示循環(huán)周次，下同）。圖5給出了150 ℃下平均應變?yōu)?，應變幅值歷史為①±0.4%（100 c）→②±0.6%（100 c）→③±0.4%（50 c）的單軸應變控制循環(huán)多級加載實驗結果。從圖4可以看出，室溫條件，在加載工況①下，材料的響應應力幅值隨著循環(huán)周次的累積趨于穩(wěn)定。當應變幅值從0.6%增加到0.8%時，材料的響應應力幅值增大，循環(huán)幾周后，材料的響應應力幅值隨著循環(huán)周次的累積迅速趨于穩(wěn)定。此時穩(wěn)定后的響應應力幅值大于先前0.6%循環(huán)時穩(wěn)定后的響應應力幅值，這表明在室溫條件下，材料的響應應力幅值受到應變幅值大小的影響。當應變幅值從0.8%減小到0.6%時，材料的響應應力幅值減小，同時材料的響應應力幅值隨著循環(huán)的進行持續(xù)地減小，說明先前較大應變幅值（±0.8%）循環(huán)加載對后續(xù)較小應變幅值的循環(huán)產生了較為明顯的影響，材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特性。從圖5可以看出，150 ℃條件，在應變幅值很?。?.4%）時，在前幾周循環(huán)中6061鋁合金的響應應力幅值隨著循環(huán)的進行而增大，后續(xù)循環(huán)中材料的響應應力幅值趨于穩(wěn)定。當應變幅值增加到0.6%時，材料的響應應力幅值增大，而后材料的響應應力幅值隨著循環(huán)的進行迅速趨于穩(wěn)定。因此，6061鋁合金在150 ℃的應變循環(huán)依賴于應變幅值的大小。當應變幅值從0.6%降到0.4%時，材料的響應應力幅值明顯下降，在后續(xù)循環(huán)中，材料的響應應力幅值隨著循環(huán)的進行不斷增大，說明6061鋁合金在150℃下的循環(huán)變形受到先前較大應變幅值（0.6%）循環(huán)加載的影響，材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。對比圖4和圖5，室溫和150 ℃條件下改變應變幅值的單軸應變控制循環(huán)多級加載實驗中可以看出，相同點在于，材料的響應應力幅值在兩種溫度下均隨著應變幅值的增加而增大，且均受到較大應變幅值加載歷史的影響；而不同點在于，材料受到較大應變幅值加載后，室溫下材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性，而150 ℃下材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。實驗表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應應力幅值受到應變幅值大小及其加載歷史的顯著影響。

圖4 室溫條件下應變幅值加載歷史的響應應力幅值演化曲線

圖5 150 ℃條件下應變幅值加載歷史的響應應力幅值演化曲線

3.2 兩種溫度下平均應變的影響

為討論平均應變對材料循環(huán)變形行為的影響，通過改變平均應變，在室溫和150 ℃下分別開展了單軸應變控制循環(huán)的多級加載實驗研究。圖6給出了室溫條件下應變幅值恒定為±0.6%，改變平均應變的應變控制循環(huán)多級加載實驗結果。加載工況如下：①±0.6%（100 c）→②1%±0.6%（100 c）→③±0.6%（50 c）。圖7給出了150 ℃下應變幅值恒定為±0.7%，改變平均應變的應變控制循環(huán)多級加載實驗結果。加載工況如下：①±0.7%（100 c）→②1±0.7%（100 c）。由圖6可知，室溫條件，對比加載工況③和加載工況①可以看出，經過較大平均應變循環(huán)（加載工況②）后，加載工況③的響應應力幅值高于加載工況①的響應應力幅值，說明后續(xù)較小平均應變（加載工況③）的循環(huán)受到了先前較大平均應變（加載工況②）的循環(huán)的影響。從圖7 可以看出，150 ℃條件，在加載工況①時，材料的響應應力幅值隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定。當平均應變從0增加到1%時，在循環(huán)前期，材料的響應應力幅值仍然隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定，然而，當約170周循環(huán)后，材料的響應應力幅值開始迅速減小。實驗表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應應力幅值受到平均應變及其加載歷史的一定程度的影響。

圖6 室溫條件下平均應變加載歷史的響應應力幅值演化曲線

圖7 150 ℃條件下平均應變加載歷史的響應應力幅值演化曲線

4 室溫與150 ℃的單軸棘輪行為

4.1 室溫下應力水平大小的影響

為了揭示應力水平大小對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫下對6061鋁合金進行兩類單軸非對稱應力控制循環(huán)加載實驗。1）平均應力恒定，改變應力幅值的循環(huán)加載實驗；2）應力幅值恒定，改變平均應力的循環(huán)加載實驗。

為討論應力幅值對6061鋁合金棘輪行為的影響，在平均應力恒定的情形下，改變應力幅值，在室溫下對6061鋁合金材料進行了單軸非對稱應力控制循環(huán)實驗。加載工況如下：①(40±320) MPa（1000 c）；②(40±330) MPa（1000 c）；③(40±340) MPa（1000 c），棘輪應變和棘輪應變率隨循環(huán)周次的演化曲線如圖8所示。由圖8可以看出，室溫條件，材料的棘輪應變在前十幾個循環(huán)周次內增長較快，在后續(xù)循環(huán)中，材料的棘輪應變隨著循環(huán)周次的增加而趨于穩(wěn)定；前幾周循環(huán)中，材料的棘輪應變率迅速下降，后續(xù)循環(huán)基本保持不變。實驗表明，室溫下應力幅值大小對6061鋁合金材料的棘輪效應產生了顯著的影響，當平均應力保持恒定，6061鋁合金材料的棘輪應變隨應力幅值的增加而增大。

圖8 平均應力40 MPa不同應力幅值的棘輪應變和棘輪應變率的演化

為討論平均應力對6061鋁合金棘輪行為的影響，在應力幅值恒定的情形下，改變平均應力，在室溫下對6061 鋁合金材料進行了單軸非對稱應力控制循環(huán)實驗。加載工況如下：①(40±320)MPa（1000 c）；②(50±320) MPa（1000 c）；③(60 ±320) MPa（1000 c），棘輪應變和棘輪應變率隨循環(huán)周次的演化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，室溫下平均應力大小對6061鋁合金材料的棘輪效應產生了顯著的影響，當應力幅值保持恒定，6061鋁合金材料的棘輪應變隨平均應力的增加而增大。

從實驗結果可以看出，室溫條件下，6061鋁合金的棘輪應變隨著應力幅值和平均應力的增大而增大，此結論與鎂合金[11]的實驗結果是一致的。

4.2 兩種溫度下應力幅值加載歷史的影響

為了揭示應力幅值加載歷史對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫與150 ℃分別進行了平均應力恒定、應力幅值改變的單軸非對稱應力控制循環(huán)多級加載實驗。

平均應力恒定為20 MPa，改變應力幅值，在室溫下進行了如下工況的非對稱應力循環(huán)多級加載實驗：①(20±340) MPa（200 c）→②(20±350) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），實驗結果如圖10所示。恒定平均應力為30 MPa，改變應力幅值，在150 ℃下進行了非對稱應力循環(huán)加載實驗：①(30±300) MPa（100 c）→②(30±310) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），實驗結果如圖11所示。從圖10中可以看出，室溫條件下在加載工況①時，棘輪應變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當應力幅值從340 MPa增加到350 MPa時，棘輪應變增大，并隨著循環(huán)周次的增加線性增長。保持平均應力不變，減小應力幅值到340 MPa時，棘輪應變仍然增大。比較加載工況①和加載工況③，加載的應力水平均為(20±340) MPa，然而在經過較大的應力幅值（加載工況②）的循環(huán)加載之后，在后續(xù)應力幅值循環(huán)（加載工況③）時的棘輪應變比沒有經過較大應力幅值循環(huán)（加載工況①）的棘輪應變要大。從圖11中可以看出，6061鋁合金在150 ℃時的演化規(guī)律同室溫下的演化規(guī)律類似。然而與室溫下不同的是，150℃條件下在加載工況②時，材料的棘輪應變隨循環(huán)的進行在增大，然而增大的速率在降低，即棘輪應變率隨循環(huán)周次的增加在逐漸減小。當應力幅值從310 MPa減小到300 MPa時，材料的棘輪應變率幾乎為零，材料的棘輪應變趨于穩(wěn)定。當經歷了較大的應力幅值循環(huán)（加載工況②）后，后續(xù)應力幅值循環(huán)（加載工況③）的棘輪應變相比于沒有經歷較大應力幅值循環(huán)（加載工況①）時的棘輪應變要大，后續(xù)應力循環(huán)受到先前較大應力幅值循環(huán)的顯著影響。實驗結果表明，6061鋁合金材料在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴于應力幅值大小及其加載歷史。

圖9 應力幅值320MPa不同平均應力的棘輪應變和棘輪應變率的演化

4.3 兩種溫度下平均應力加載歷史的影響

為了揭示平均應力加載歷史對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫與150 ℃分別進行了應力幅值恒定，平均應力改變的單軸非對稱應力控制循環(huán)多級加載實驗。

圖10 室溫條件下應力幅值加載歷史的棘輪應變演化曲線

圖11 150 ℃條件下應力幅值加載歷史的棘輪應變演化曲線

恒定應力幅值340 MPa，改變平均應力，在室溫下進行了如下工況的非對稱應力循環(huán)多級加載實驗：①(20±340) MPa（200 c）→②(30±340) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），實驗結果如圖12所示。恒定應力幅值300 MPa，改變平均應力，在150 ℃下進行了非對稱應力循環(huán)加載實驗：①(30±300) MPa（100 c）→②(40±300) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），實驗結果如圖13所示。由圖12可知，室溫條件，在加載工況①時，棘輪應變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當平均應力從20 MPa增 加 到 30 MPa時，棘輪應變和棘輪應變率均增大，而棘輪應變率在加載工況②的后續(xù)循環(huán)中逐漸減小。保持應力幅值不變，減小平均應力到20 MPa時，棘輪應變隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定。比較加載工況①和加載工況③，加載的應力水平均為(20±340) MPa，然而，在經過較大的平均應力（加載工況②）的循環(huán)加載之后，在后續(xù)平均應力下循環(huán)（加載工況③）時的棘輪應變比沒有經過較大平均應力循環(huán)（加載工況①）的棘輪應變要大。由圖13可知，6061 鋁 合金在150 ℃時的棘輪行為與室溫下的棘輪行為類似：棘輪應變隨著循環(huán)周次的累積和平均應力的增大而增大，當經歷了較大平均應力循環(huán)（加載工況②）后，后續(xù)平均應力循環(huán)（加載工況③）時的棘輪應變相比于沒有經歷較大平均應力循環(huán)（加載工況①）時的棘輪應變要大。實驗研究表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴于平均應力的大小及其加載歷史。

圖12 室溫條件下平均應力加載歷史的棘輪應變演化曲線

圖13 150 ℃條件下平均應力加載歷史的棘輪應變演化曲線

5 結 論

在室溫和150 ℃條件下，采用6061鋁合金試樣，開展了單軸應變控制循環(huán)實驗，探究了材料的單軸應變循環(huán)特性；開展了單軸非對稱應力控制循環(huán)實驗，探究了材料的單軸棘輪行為，得出了如下結論：

1）單軸拉伸實驗中，在室溫和150 ℃下，6061鋁合金均體現(xiàn)了一定的應變率敏感性。不同的是，室溫條件下，應變率低時，材料的響應應力較高；150 ℃條件下，應變率高時，材料的響應應力較高。

2）應變控制循環(huán)加載實驗中，在室溫和150 ℃下，6061鋁合金的單軸應變循環(huán)特性均依賴于應變幅值大小及其加載歷史；平均應變大小及其加載歷史對6061鋁合金的單軸應變循環(huán)特性有一定程度的影響。

3）非對稱應力控制循環(huán)加載實驗中，室溫下6061鋁合金的單軸棘輪應變隨著應力幅值和平均應力的增大而增大；在室溫和150 ℃下，6061鋁合金的單軸棘輪行為均依賴于應力幅值、平均應力及其加載歷史。