陳 超，王志輝，彭 勇，簡(jiǎn)忠武，樊新波

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

鋁及鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，是交通工具輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)選材料之一，因而被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、軌道車輛以及航空航天等領(lǐng)域，作為各領(lǐng)域設(shè)備的結(jié)構(gòu)件、覆蓋件等使用。

為了研究薄金屬板材剪切力學(xué)性能，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了不同的專用剪切試驗(yàn)夾具來(lái)滿足不同的試驗(yàn)需求[1-5]，但針對(duì)鋁合金受力變形后對(duì)剪切力學(xué)性能影響的研究甚少。本文借助自行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造的剪切試驗(yàn)裝置，研究幾種典型軋制鋁合金板材的單向剪切與預(yù)變形后的反剪切力學(xué)性能以及斷裂行為，為鋁合金構(gòu)件實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中受大載荷后的損傷分析與研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選擇了交通工具中常用的5052-H32、6061-T6、7075-T651三種牌號(hào)鋁合金板材作為研究對(duì)象，每種鋁合金有2mm、4mm、6mm三種厚度規(guī)格。其中板材剪切試樣沿軋制方向取樣，保證剪切方向、剪切刀刃均與板材的軋制方向垂直。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)方案

本文主要研究了不同厚度的三種牌號(hào)鋁合金板材的剪切與反剪切力學(xué)性能，并借助掃描電鏡分析試樣的斷口顯微組織。

其中剪切與反剪切試驗(yàn)借助自行設(shè)計(jì)與制造的剪切試驗(yàn)裝置，剪切裝置實(shí)物圖及剪切試樣關(guān)鍵尺寸如圖1所示。在進(jìn)行單向剪切試驗(yàn)時(shí)，將剪切試樣安裝在剪切裝置上后，直接在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試；在反剪切試驗(yàn)時(shí)，先將剪切試樣安裝在剪切裝置上并在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行預(yù)剪切，當(dāng)剪切位移達(dá)到1.6 mm后暫停試驗(yàn)并取下試樣，然后將試樣反向安裝在剪切裝置上，并重新置于拉伸試驗(yàn)機(jī)上剪切并記錄數(shù)據(jù)。

圖1 剪切裝置實(shí)物圖及剪切試樣尺寸圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 單向剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為不同厚度三種鋁合金板材的單向剪切曲線。從圖2中可以看出：同種材質(zhì)不同厚度的鋁合金板材出現(xiàn)剪切屈服的位移值不一樣；當(dāng)板材厚度超過(guò)2 mm時(shí)，三種鋁合金板材均呈現(xiàn)出板材厚度越大，板材的剪切屈服點(diǎn)的位移值也就越大。圖3為不同厚度鋁合金板材的抗剪強(qiáng)度、位移變化曲線。從圖3中可以看出：在三種材質(zhì)的鋁合金板材中，剪切強(qiáng)度高的材質(zhì)，其剪切位移反而??；而且，隨著板材厚度的增加，三種鋁合金板材的抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律。這主要是由于合金處于剪切應(yīng)力條件下的大變形狀態(tài)，板材變形局部化程度高、時(shí)間短，金屬的形變強(qiáng)化的作用[6]。當(dāng)板材厚度為4 mm時(shí)，合金的剪切形變強(qiáng)化作用比2 mm板材的強(qiáng)化作用更明顯，形變強(qiáng)化的效果高于軋制缺陷引起的板材性能衰減的效果，因此4 mm板材的剪切強(qiáng)度比2 mm板材的剪切強(qiáng)度更高；而當(dāng)板材厚度為6 mm時(shí)，板材軋制缺陷引起的性能衰減效果大于板材剪切形變強(qiáng)化的效果，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖3 不同厚度鋁合金板材的抗剪強(qiáng)度、位移變化曲線

隨著板材厚度的增加，7075-T651鋁合金板材的最大位移逐漸增加；而5052-H32、6061-T6兩種強(qiáng)度相對(duì)較低的鋁合金板材的最大位移卻呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)板厚為6 mm時(shí)，三種鋁合金的剪切位移值均為最大值。造成上述最大位移變化的原因主要是由于2 mm厚的板材在剪切試驗(yàn)的初期，低載荷力作用下即產(chǎn)生了較大的位移，導(dǎo)致三種鋁合金的剪切位移增大。而且，抗拉強(qiáng)度越低的鋁合金板材，此低載荷下產(chǎn)生的位移越大，如圖2中橢圓圈所標(biāo)識(shí)的區(qū)域，而且在后面的反剪切試驗(yàn)中也同樣存在該現(xiàn)象。

圖2 不同厚度三種鋁合金板材的剪切曲線

2.2 剪切-反剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為剪切試樣反剪切試驗(yàn)前后的實(shí)物圖。

圖4 剪切試樣反剪切試驗(yàn)前后的實(shí)物圖

2.2.1 預(yù)剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為鋁合金板材試樣預(yù)剪切變形后的殘余變形量，殘余變形量指的是剪切試樣上、下裝夾平面的垂直距離與剪切試樣原始板厚的差值。通過(guò)對(duì)圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：在對(duì)5052-H32、6061-T6、7075-T651三種材質(zhì)、不同厚度的鋁合金板材試樣進(jìn)行預(yù)剪切變形后，隨著試樣板材厚度由2 mm增加至4 mm，三種材質(zhì)的殘余變形均出現(xiàn)明顯下降，且材料強(qiáng)度越高，殘余變形降幅越大；當(dāng)試樣板材厚度由4 mm增加至6 mm，5052-H32的殘余變形迅速增加，而6061-T6、7075-T651的殘余變形量繼續(xù)下降。此外，通過(guò)將圖5中各試樣殘余變形量與圖2的剪切曲線對(duì)比分析可以得出，當(dāng)1.6 mm預(yù)變形位移超過(guò)鋁合金屈服點(diǎn)的位移值越多，預(yù)變形后殘余的變形量則越大。

圖5 三種鋁合金板材剪切試樣預(yù)剪切變形后的殘余變形量

2.2.2 反剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6為不同厚度的三種鋁合金板材預(yù)變形后反剪切試驗(yàn)的剪切曲線，其與圖2的單向剪切試驗(yàn)的剪切曲線的變化規(guī)律大體一致。

圖6 不同厚度三種鋁合金板材剪切試樣反剪切的剪切曲線

2.3 力學(xué)性能結(jié)果對(duì)比分析與討論

表1為三種鋁合金板材的標(biāo)準(zhǔn)拉伸、剪切以及剪切-反剪切的力學(xué)性能。

表1 鋁合金板材標(biāo)準(zhǔn)拉伸、剪切以及剪切-反剪切的力學(xué)性能

圖7為三種鋁合金板材單向剪切與剪切-反剪切的力學(xué)性能對(duì)比圖，其中剪切-反剪切試樣的剪切位移是絕對(duì)位移，其值等于剪切-反剪切試驗(yàn)中的最大位移減預(yù)剪切的殘余變形量。鋁合金板材在經(jīng)歷1.6 mm預(yù)變形后，反向安裝并加載時(shí)，呈現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)從圖7中可以看出，厚度為2 mm的三種鋁合金板材在預(yù)剪切變形后的反剪切強(qiáng)度均明顯低于單向剪切強(qiáng)度[7]，其中6061-T6強(qiáng)度下降幅度最大，達(dá)到了16.15%，此種現(xiàn)象主要與反向加載后位錯(cuò)塞積群發(fā)生滑移有關(guān)，這與Chen Xuanzhen等對(duì)2 mm厚的2A21-T4、5052-H32、6061-T6、7075-T651板材的平面預(yù)應(yīng)變-反向剪切的試驗(yàn)結(jié)果一致，四類鋁合金材料在預(yù)應(yīng)變后反向加載，材料的剪切強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的下降[8]；而當(dāng)板材厚度為4 mm和6 mm時(shí)，預(yù)剪切變形對(duì)鋁合金剪切強(qiáng)度的影響不大，單向剪切與預(yù)變形后的反剪切強(qiáng)度的變化值均在1%，其中6 mm厚的三類鋁合金板材預(yù)剪切變形后的反剪切強(qiáng)度均高于單向剪切強(qiáng)度，但強(qiáng)度變化值均在1%。

(2)從圖7中可以看出，隨著板材厚度的增加，三種鋁合金的預(yù)剪切變形后的反剪切試驗(yàn)與單向剪切試驗(yàn)的剪切位移變化規(guī)律基本一致，當(dāng)板材厚度為6 mm時(shí)，三種鋁合金的剪切位移值均是最大的。通過(guò)進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，具有相對(duì)較高強(qiáng)度的6061-T6和7075-T651兩種鋁合金板材在經(jīng)歷預(yù)剪切變形后，剪切-反剪切試驗(yàn)的剪切位移均小于單向剪切的剪切位移。

圖7 三種鋁合金板材單向剪切與反剪切的力學(xué)性能對(duì)比圖 圖8 單向剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值

圖8、圖9分別為不同厚度的三種牌號(hào)鋁合金單向剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值、反剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值。從圖8和圖9中可以看出：①三種鋁合金的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比、預(yù)變形后的反剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值都隨著板材厚度的增加而增大，即厚度越大，其剪切強(qiáng)度、反剪切強(qiáng)度均越接近抗拉強(qiáng)度；②當(dāng)板材厚度為4 mm、6 mm時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)越低的鋁合金材料，其單向剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值、反剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值均越大。

圖9 反剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值

2.4 斷口形貌及組織分析

圖10為鋁合金板材單向剪切與反剪切的斷口形貌。從圖10中可以看出：5052-H32、6061-T6、7075-T651三類鋁合金板材的單向剪切斷口形貌存在較大差異；5052-H32的剪切斷口有明顯的拋物線形剪切韌窩，韌窩多且較深，這是由于板材在剪切力的作用下，顯微孔洞沿剪切方向上被拉長(zhǎng)，其剪切斷裂形式為韌性斷裂；6061-T6的剪切斷口中有類似發(fā)生滑移的拋物線形，而且其拋物線的兩側(cè)邊基本與剪切時(shí)的拉伸方向平行，但與5052-H32的相比，韌窩明顯數(shù)量變少深度變淺；而7075-T651的剪切斷口是由眾多細(xì)小的剪切面組成，幾乎沒(méi)有拋物線形的剪切韌窩，即沒(méi)有空穴擴(kuò)張和匯合的現(xiàn)象[9]。

圖10 鋁合金板材單向剪切與反剪切的斷口形貌

此外，通過(guò)對(duì)比單向剪切與預(yù)變形-反剪切的斷口SEM形貌可以看出，反剪切的斷口中單個(gè)滑移平面的面積明顯增大，而且滑移平面更加光滑、平整。這主要是受預(yù)變形的影響，預(yù)變形時(shí)形成了位錯(cuò)塞積群或孔洞，在反剪切時(shí)上述區(qū)域更容易發(fā)生滑移、斷裂現(xiàn)象。該現(xiàn)象在厚度為2 mm的板材中體現(xiàn)得更加明顯，單向剪切與預(yù)變形-反剪切的斷口形貌有明顯的差異，而在4 mm、6 mm厚的板材中斷口形貌變化較小，這與前面圖7(a)中的鋁合金板材單向剪切與預(yù)變形-反剪切的力學(xué)性能變化規(guī)律相吻合。

3 結(jié)論

(1)在剪切變形強(qiáng)化和板材原始軋制缺陷的共同作用下，三種牌號(hào)鋁合金隨著板材厚度的增加，其抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律。

(2)同種牌號(hào)不同厚度的鋁合金板材剪切屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移值不同，當(dāng)預(yù)變形位移值超過(guò)鋁合金屈服點(diǎn)的位移值越多，預(yù)變形后殘余的變形量則越大。

(3)不同厚度的三種鋁合金反剪切曲線中的剪切力均發(fā)生動(dòng)態(tài)時(shí)效。而且，當(dāng)板材厚度為2 mm時(shí)，三種鋁合金的反剪切強(qiáng)度均明顯低于單向剪切強(qiáng)度；而當(dāng)板材厚度為4 mm和6 mm時(shí)，上述效應(yīng)不明顯。

(4)通過(guò)對(duì)比單向剪切與反剪切的斷口SEM形貌可以看出，反剪切的斷口中單個(gè)滑移平面的面積明顯增大，而且滑移平面更加光滑、平整。