劉莉，姜建堂，賀瓊瑤，趙運(yùn)強(qiáng)，甄良

加載路徑對(duì)5A06鋁合金力學(xué)性能和微觀組織的影響

劉莉1，姜建堂2，賀瓊瑤3，趙運(yùn)強(qiáng)1，甄良2

（1.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣州 510651；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

通過力學(xué)性能測(cè)試和微觀組織表征等手段研究預(yù)加載方向和雙向加載對(duì)5A06鋁合金組織性能的影響。分別沿軋制方向（RD）和垂直于軋制方向（TD）施加預(yù)變形，然后沿RD進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)比研究預(yù)加載方向?qū)辖鹆W(xué)性能的影響。通過雙向拉伸試驗(yàn)研究合金在雙向加載時(shí)力學(xué)性能的變化情況；采用透射電鏡觀察預(yù)加載和雙向加載條件下典型試樣內(nèi)的位錯(cuò)組態(tài)，分析加載路徑對(duì)位錯(cuò)組態(tài)的影響。預(yù)加載使5A06鋁合金的屈服強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率下降。與RD預(yù)加載相比，TD預(yù)加載對(duì)屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響更小，TD預(yù)加載試樣的抗拉強(qiáng)度更高。不同預(yù)加載方向下試樣的位錯(cuò)組態(tài)不同：預(yù)加載與二次加載方向一致會(huì)使位錯(cuò)沿單一方向塞積；預(yù)加載與二次加載方向垂直時(shí)會(huì)出現(xiàn)平行位錯(cuò)列交錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象。雙向加載時(shí)，不同加載比例下合金的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系不同，加載比例越接近等比例雙向拉伸情況，加工硬化系數(shù)越大，在等比例雙軸拉伸時(shí)達(dá)到最大。在應(yīng)力狀態(tài)從單拉狀態(tài)變化到等雙拉狀態(tài)的過程中，不同階段屈服點(diǎn)間隔不同，在等比例雙軸拉伸時(shí)達(dá)到最大，在單向拉伸時(shí)最小。對(duì)于不同加載比例的試樣，其位錯(cuò)密度隨中心區(qū)應(yīng)變量的增大而增大。預(yù)加載方向會(huì)顯著影響5A06鋁合金的力學(xué)性能和位錯(cuò)組態(tài)。不同比例的雙向加載會(huì)影響5A06鋁合金的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系。

5A06鋁合金；預(yù)加載；雙向拉伸；力學(xué)性能；微觀組織

輕量化能夠有效減少污染并降低碳排放量，是實(shí)現(xiàn)我國雙碳戰(zhàn)略的重要手段之一。鋁合金因具有較高的比強(qiáng)度和比模量、較好的耐腐蝕性、良好的成形性能等優(yōu)點(diǎn)被視為輕量化的首選材料[1-2]。其中，5A06鋁合金是Al–Mg系防銹鋁合金，屬于形變強(qiáng)化鋁合金，具有較高的強(qiáng)度和耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶及航空航天構(gòu)件[2-4]。

材料在加工制備及服役過程中會(huì)承受不同方向的外力，并在相應(yīng)方向產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變，該應(yīng)變會(huì)影響構(gòu)件的服役性能，尤其會(huì)對(duì)構(gòu)件的屈服抗力、疲勞性能等產(chǎn)生一定影響[5-6]。鋁合金具有較低的成形極限，其構(gòu)件的制造通常需要多步成形，初始成形工藝會(huì)對(duì)構(gòu)件的后續(xù)成形和服役性能產(chǎn)生顯著影響[7-8]。因此，研究預(yù)變形對(duì)鋁合金后續(xù)加載力學(xué)性能和微觀組織的影響尤為重要。以往的研究主要集中在軸向預(yù)加載對(duì)試樣力學(xué)性能的影響[9-11]，而關(guān)于預(yù)加載方向?qū)罄m(xù)加載力學(xué)性能影響的研究相對(duì)較少，相應(yīng)的微觀組織演變機(jī)制也尚不清楚。文獻(xiàn)[12-13]指出，加載方向會(huì)對(duì)材料內(nèi)部位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塞積等產(chǎn)生影響，因此急需研究預(yù)加載方向?qū)?A06鋁合金力學(xué)性能和微觀組織的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋁合金薄板或薄殼結(jié)構(gòu)多是雙向或多向受力構(gòu)件。單向拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)力–應(yīng)變以及組織性能關(guān)系不能反映材料在雙向和多向受力狀態(tài)下的變形行為[14-16]。雙向拉伸可提供一種介于單向加載和多向加載之間的過渡狀態(tài)，是研究材料在復(fù)雜加載條件下組織性能演變的基礎(chǔ)。因此，文中主要通過不同方向預(yù)加載和雙向拉伸試驗(yàn)研究加載路徑對(duì)5A06鋁合金力學(xué)性能和微觀組織的影響規(guī)律及機(jī)理，為鋁合金構(gòu)件成形工藝設(shè)計(jì)和服役性能預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)，以期指導(dǎo)鋁合金構(gòu)件的工業(yè)生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用2 mm厚的5A06鋁合金薄板，其實(shí)際成分如表1所示。試驗(yàn)研究了軋制方向（RD）和垂直于軋制方向（TD）預(yù)加載對(duì)后續(xù)加載過程中5A06鋁合金力學(xué)性能的影響。其中，RD預(yù)加載試樣為單向拉伸試樣，試樣尺寸如圖1所示。TD預(yù)加載通過寬板拉伸實(shí)現(xiàn)。寬板拉伸取樣示意圖如圖2所示，試樣尺寸為130 mm×60 mm×2 mm，標(biāo)距為80 mm，加載速度為1 mm/min。沿RD預(yù)加載后再沿RD拉伸的試樣記為RD–RD，沿TD預(yù)加載后再沿RD拉伸的試樣記為TD–RD。采用Zwick/Roell電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)相同狀態(tài)樣品重復(fù)測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。雙向拉伸試驗(yàn)采用十字形試樣，試樣尺寸如圖3所示。為了保證試樣中心區(qū)受力均勻，采用激光加工技術(shù)在十字臂上加工出寬度為0.2 mm、長(zhǎng)度為82 mm的窄縫。在試驗(yàn)過程中，通過控制雙臂的加載比例和加載速率來實(shí)現(xiàn)不同條件下的雙向拉伸試驗(yàn)。試樣中心區(qū)應(yīng)變的測(cè)量區(qū)域?yàn)?0 mm×50 mm。在變形過程中，由夾持在試樣2個(gè)方向的引伸計(jì)測(cè)量中心區(qū)的應(yīng)變，引伸計(jì)的標(biāo)距為50 mm。試驗(yàn)時(shí)，拉伸速率為6 mm/min。沿RD和TD施加載荷的比例分別為4︰0、4︰1、4︰2、4︰3、4︰4、3︰4、2︰4、1︰4，其中4︰0相當(dāng)于沿RD單向拉伸，4︰4相當(dāng)于在2個(gè)方向等載荷拉伸，也稱為等雙拉，其余加載比例介于兩者之間。

采用JEOL 2100型透射電子顯微鏡對(duì)不同加載路徑下典型試樣的位錯(cuò)組態(tài)進(jìn)行觀察，加速電壓為200 kV。首先利用線切割機(jī)在試樣上切取尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm的薄片，試樣經(jīng)酒精冷卻后用320#水砂紙粗磨至100mm左右，再分別用400#、600#、800#金相砂紙細(xì)磨至60～80 μm，隨后沖壓成直徑為3 mm的圓片，然后用電解雙噴減薄儀減薄。電解液為體積分?jǐn)?shù)30%的硝酸和70%甲醇的混合溶液，電壓為12～15 V，電流為75～100 mA，電解液溫度約為?28 ℃。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 5A06 aluminum alloy wt.%

圖1 單向拉伸試樣尺寸圖（mm）

圖2 寬板拉伸試樣上的取樣位置示意圖

圖3 雙向拉伸試樣尺寸圖

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)加載方向?qū)αW(xué)性能的影響

圖4為預(yù)加載方向和預(yù)變形量對(duì)5A06鋁合金二次加載時(shí)合金力學(xué)性能的影響。如圖4a所示，RD和TD預(yù)加載均可提升合金的屈服強(qiáng)度，且RD預(yù)加載試樣的屈服強(qiáng)度提升幅度更為顯著，TD–RD和RD– RD試樣的屈服強(qiáng)度均隨預(yù)變形量的增加而增加。屈服強(qiáng)度的提升與加工硬化密切相關(guān)，預(yù)加載試樣中的位錯(cuò)易在溶質(zhì)原子和第二相附近塞積，因此二次加載時(shí)需要更大的應(yīng)力才可以驅(qū)動(dòng)位錯(cuò)滑動(dòng)、產(chǎn)生加工硬化效果，導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度升高。同時(shí)，隨著預(yù)變形量的增加，位錯(cuò)塞積現(xiàn)象越加明顯，屈服強(qiáng)度也隨之增加。圖4b為合金抗拉強(qiáng)度隨預(yù)變形量變化的曲線?？芍A(yù)加載方向和預(yù)變形量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小，TD–RD試樣的抗拉強(qiáng)度略高于RD–RD試樣的。圖4c是伸長(zhǎng)率隨預(yù)變形量變化的曲線?？芍A(yù)加載導(dǎo)致合金伸長(zhǎng)率降低，但TD–RD試樣的伸長(zhǎng)率下降幅度小于RD–RD試樣的。上述結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)材料在多步成形過程中的加載方向，可顯著增強(qiáng)材料的塑性成形能力，進(jìn)而提升成形質(zhì)量。同時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度也略有提高，這有利于提升材料的后續(xù)服役性能。

2.2 不同方向預(yù)加載對(duì)微觀組織的影響

圖6是在RD–RD和TD–RD這2種加載方式下試樣的透射電鏡照片?？芍?種試樣的位錯(cuò)密度均明顯高于僅預(yù)加載試樣的。RD–RD試樣內(nèi)位錯(cuò)相互纏結(jié)，多處可見明顯的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)，這主要與高密度位錯(cuò)間的相互堆積有關(guān)[17]。而在TD–RD試樣中未見明顯的位錯(cuò)胞狀組織，取而代之的是細(xì)而密的“線條”狀位錯(cuò)相互堆積，且有多組相互平行的位錯(cuò)列交錯(cuò)纏結(jié)的位錯(cuò)網(wǎng)。圖7為2種加載方式下試樣位錯(cuò)組態(tài)的放大圖。可知，RD–RD試樣中位錯(cuò)線基本沿同一方向分布，在局部區(qū)域可觀察到平行的位錯(cuò)列；而在TD–RD試樣中則觀察到了明顯的位錯(cuò)交錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象，形成2個(gè)方向近似垂直的平行位錯(cuò)列交錯(cuò)形成的位錯(cuò)網(wǎng)格，這與2次加載的方向相互垂直有關(guān)。由此可見，當(dāng)加載方向不同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的位錯(cuò)纏結(jié)和交叉滑移的現(xiàn)象。

圖5 5A06鋁合金沿RD和TD預(yù)加載試樣的透射電鏡照片

材料的力學(xué)性能與位錯(cuò)幾何形態(tài)、位錯(cuò)間的相互作用、位錯(cuò)和溶質(zhì)原子間的相互作用等密切相關(guān)[17]。一方面，外力作用使晶體內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致材料發(fā)生宏觀塑性變形[18-19]；另一方面，位錯(cuò)間的作用力也會(huì)影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[20-22]。因此，外力的加載方向以及材料內(nèi)部位錯(cuò)間的相互作用力均會(huì)影響材料的變形行為和力學(xué)性能。如前所述，預(yù)加載方向會(huì)顯著影響合金的力學(xué)性能，這與材料內(nèi)部位錯(cuò)在不同加載下的運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。對(duì)于預(yù)加載試樣，位錯(cuò)受外力的作用會(huì)在晶界、夾雜相和第二相等位置處塞積[9,23]。當(dāng)二次加載方向與預(yù)加載方向相同時(shí)，位錯(cuò)塞積導(dǎo)致需要更大的外力才能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此材料的屈服強(qiáng)度提升。當(dāng)二次加載方向與預(yù)加載方向垂直時(shí)，二次加載方向上無位錯(cuò)塞積的影響，而在與之垂直的方向上存在位錯(cuò)塞積，因而位錯(cuò)呈現(xiàn)交錯(cuò)塞積形貌，此時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的應(yīng)力比無預(yù)加載試樣位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的應(yīng)力更大，但比預(yù)加載和二次加載方向相同的試樣位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的應(yīng)力小，因此試樣的屈服強(qiáng)度提升，但提升幅度小于預(yù)加載與二次加載方向相同的試樣的。材料的抗拉強(qiáng)度與位錯(cuò)密度密切相關(guān)。TD–RD試樣的高抗拉強(qiáng)度來源于材料內(nèi)部的高位錯(cuò)密度。當(dāng)預(yù)加載方向和二次加載方向不同時(shí)，在各個(gè)方向上均有位錯(cuò)塞積，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中并誘發(fā)位錯(cuò)增殖[24]，位錯(cuò)塞積的范圍越廣，位錯(cuò)增殖的可能性越大，導(dǎo)致試樣內(nèi)位錯(cuò)密度顯著增大。同時(shí)，RD預(yù)加載試樣的位錯(cuò)塞積會(huì)導(dǎo)致更為集中的局部應(yīng)力，使材料提前失效斷裂；TD預(yù)加載試樣的位錯(cuò)塞積程度和應(yīng)力集中程度相對(duì)較小，材料的伸長(zhǎng)率更高。

圖6 5A06鋁合金沿不同方向預(yù)加載后軸向單拉至斷裂試樣的透射電鏡照片

圖7 不同方向預(yù)加載后軸向單拉至斷裂試樣內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)的放大圖

2.3 雙向加載力學(xué)性能與微觀組織

圖8為不同加載比例雙向拉伸下5A06鋁合金RD和TD的應(yīng)力–應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，在臂上開縫的十字形雙拉試驗(yàn)方案下，5A06鋁合金試樣在中心區(qū)的變形量不大。在所有加載路徑下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線中，單方向上最大的等效塑性應(yīng)變約7%。RD和TD的應(yīng)力–應(yīng)變曲線的變化規(guī)律均為加載比例越接近等比例雙向拉伸狀態(tài)，材料的強(qiáng)化效應(yīng)越大，在等比例雙向拉伸時(shí)達(dá)到最大。

圖8 5A06鋁合金雙向拉伸時(shí)RD和TD的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

將不同加載路徑下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線等效為單向拉伸曲線，根據(jù)塑性變形功相等的原則，得到與單向拉伸時(shí)的塑性變形功相等的雙向拉伸的塑性變形功，以確定不同塑性變形階段雙向拉伸區(qū)域的試驗(yàn)屈服點(diǎn)[25]。計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：表示塑性變形功；0表示單向拉伸的最大應(yīng)變；表示單向拉伸時(shí)的應(yīng)力；RD和TD分別為RD和TD方向的拉伸應(yīng)力；RD和TD分別表示RD和TD方向的拉伸應(yīng)變。

結(jié)合式（1）并通過進(jìn)一步計(jì)算確定試驗(yàn)屈服點(diǎn)。板材的屈服軌跡對(duì)實(shí)際成形過程中成形工藝的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

5A06鋁合金板材等效塑性應(yīng)變分別為0.2%、1%、2%、3%時(shí)雙拉區(qū)的試驗(yàn)屈服軌跡如圖9所示。其中1為RD的屈服應(yīng)力，2為TD的屈服應(yīng)力。可知，5A06鋁合金板材在不同階段的試驗(yàn)屈服軌跡形狀為外凸形，在應(yīng)力狀態(tài)由單向拉伸狀態(tài)到等雙拉狀態(tài)的變化過程中，不同變形階段屈服點(diǎn)的間隔不同，在等雙拉時(shí)間隔達(dá)到最大，在單向拉伸時(shí)間隔最小。隨著變形量的增加，屈服軌跡逐漸向外擴(kuò)大，單向拉伸時(shí)強(qiáng)化程度最小，等雙拉時(shí)強(qiáng)化程度最大。由此可知，在等雙拉變形條件下，材料在更大的等效應(yīng)變條件下才能發(fā)生屈服，這有利于板材成形。另外，以等雙拉為界的上下兩部分屈服軌跡不對(duì)稱，相同應(yīng)變條件下RD的屈服應(yīng)力大于TD的屈服應(yīng)力，這主要是由板材面內(nèi)各向異性引起的。

圖9 5A06鋁合金板材常溫下的試驗(yàn)屈服軌跡

簡(jiǎn)化的等效應(yīng)變公式如式（2）所示。

式中：e為等效應(yīng)變；1為主應(yīng)變；2為次應(yīng)變。采用式（2）對(duì)不同加載比例下材料中心區(qū)的等效應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，得到近似等效應(yīng)變?nèi)绫?所示。可以看出，不同加載比例試樣的等效應(yīng)變差別較大，單向拉伸時(shí)的等效應(yīng)變最大，雙向拉伸時(shí)材料的變形量小于單向拉伸試樣時(shí)的材料變形量，當(dāng)加載比例接近等雙拉狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)變略有降低，但是差別不大。

表2 5A06鋁合金雙向拉伸不同加載比例試樣中心區(qū)等效應(yīng)變

Tab.2 Equivalent strains in the central area of 5A06 aluminum alloy under different loading ratios during biaxial tension

在不同加載比例的雙向拉伸過程中，5A06鋁合金的屈服應(yīng)力、中心區(qū)的等效應(yīng)變均不同。在文中的變形方式下，5A06鋁合金塑性變形的差異主要是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的。對(duì)雙向拉伸典型試樣中心變形區(qū)進(jìn)行透射電鏡觀察，加載比例為4︰3的雙拉試樣的中心區(qū)透射電鏡照片如圖10所示?？梢钥吹剑嚇又杏忻黠@的位錯(cuò)纏結(jié)交錯(cuò)的現(xiàn)象，這和預(yù)加載與二次加載方向不同的試樣相似。

圖10 5A06鋁合金加載比例為4︰3的雙向拉伸試樣的透射電鏡照片

3 結(jié)論

1）當(dāng)采用RD和TD預(yù)加載時(shí)，隨預(yù)變形量的增加，5A06鋁合金均呈屈服強(qiáng)度上升、伸長(zhǎng)率下降、抗拉強(qiáng)度變化不大的趨勢(shì)。TD–RD加載試樣屈服強(qiáng)度上升的幅度小于RD–RD加載試樣的，其伸長(zhǎng)率下降的幅度也較小。TD–RD加載試樣的抗拉強(qiáng)度略高于RD–RD加載試樣的。

2）隨著預(yù)變形量的增加，5A06鋁合金內(nèi)位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)纏結(jié)、塞積的現(xiàn)象更顯著。預(yù)加載方向?qū)?A06鋁合金內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)有顯著影響。當(dāng)預(yù)加載方向與二次加載方向相同時(shí)，位錯(cuò)主要沿一個(gè)方向塞積，在試樣中能觀察到相互平行的位錯(cuò)列。當(dāng)預(yù)加載方向與二次加載方向垂直時(shí)，在試樣中能觀察到平行的位錯(cuò)列交錯(cuò)纏結(jié)的現(xiàn)象。

3）當(dāng)采用雙向拉伸時(shí)，不同加載路徑下5A06鋁合金的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系不同。隨著加載比例接近等比例雙向加載狀態(tài)，材料加工硬化效果增強(qiáng)，等比例雙向加載時(shí)的強(qiáng)化效果最佳。5A06鋁合金在不同變形階段的試驗(yàn)屈服軌跡是外凸的，屈服軌跡隨變形程度的增加而向外擴(kuò)大。在應(yīng)力狀態(tài)從單向拉伸狀態(tài)到等比例雙軸拉伸狀態(tài)的變化過程中，不同階段屈服應(yīng)力間隔不同，在等比例雙軸拉伸時(shí)屈服應(yīng)力達(dá)到最大，在單向拉伸時(shí)屈服應(yīng)力最小。對(duì)于雙向拉伸試樣，雙向加載時(shí)試樣內(nèi)的位錯(cuò)交錯(cuò)纏結(jié)，這與預(yù)加載方向和二次加載方向垂直的試樣相似。

[1] JAWALKAR C, KANT S. A Review on Use of Aluminium Alloys in Aircraft Components[J]. I-Manager's Journal on Material Science, 2015, 3(3): 33.

[2] 郭成, 李寶綿, 張海濤, 等. 高強(qiáng)耐蝕5xxx系鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 稀有金屬, 2018, 42(8): 878-884.

GUO Cheng, LI Bao-mian, ZHANG Hai-tao, et al. Research Status and Development Trend of High-Strength and Corrosion-Resistant 5xxx Series Aluminum Alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2018, 42(8): 878-884.

[3] YAN Jian-feng, HECKMAN N M, LEONARDO V, et al. Improve Sensitization and Corrosion Resistance of an Al-Mg Alloy by Optimization of Grain Boundaries[J]. Scientific Reports, 2016, 6(1): 26870.

[4] 唐明君, 吉澤升, 呂新宇. 5×××系鋁合金的研究進(jìn)展[J]. 輕合金加工技術(shù), 2004, 32(7): 1-7.

TANG Ming-jun, JI Ze-sheng, LYU Xin-yu, et al. The Research Progress of 5××× Aluminium Alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2004, 32(7): 1-7.

[5] JIANG Ju-fu, LIU Ying-ze, XIAO Guan-fei, et al. Effects of Plastic Deformation of Solid Phase on Mechan-ical Properties and Microstructure of Wrought 5A06 Aluminum Alloy in Directly Semisolid Thixoforging[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 831: 154748.

[6] 朱晶, 杜坤, 賈維平, 等. 5052鋁合金板材室溫沖壓成形性能研究[J]. 熱加工工藝, 2015, 44(19): 1-4.

ZHU Jing, DU Kun, JIA Wei-ping, et al. Research on Stamping Formability of 5052 Aluminum Alloy Sheet at Room Temperature[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(19): 1-4.

[7] 劉偉, 陳一哲, 徐永超, 等. 復(fù)雜曲面件多向加載液壓成形技術(shù)[J]. 精密成形工程, 2016, 8(5): 1-6.

LIU Wei, CHEN Yi-zhe, XU Yong-chao, et al. Multi- Dir-ectional Sheet Hydroforming of Components with Complex Curved Surface[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2016, 8(5): 1-6.

[8] 李勇, 李東升, 李小強(qiáng). 大型復(fù)雜壁板構(gòu)件塑性成形技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù), 2020, 63(21): 36-45.

LI Yong, LI Dong-sheng, LI Xiao-qiang. A Review of Plastic Forming Technologies and Applications for Large and Complex-Shaped Panels[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2020, 63(21): 36-45.

[9] CAI M, LEVINE L, LANGFORD S, et al. “Observation” of Dislocation Motion in Single Crystal and Polycrystalline Aluminum during Uniaxial Deformation Using Photoemission Technique[J]. Materials Science & Engineering A, 2005, 400(C): 476-480.

[10] 張新明, 劉玲, 賈寓真. 拉伸與軋制預(yù)變形對(duì)2519A鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(6): 1088-1094.

ZHANG Xin-ming, LIU Ling, JIA Yu-zhen. Effects of Stretching and Rolling Pre-Deformation on Microstructures and Mechanical Properties of 2519A Aluminum Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(6): 1088-1094.

[11] 金飛翔. 不同預(yù)變形不同應(yīng)變速率鋁合金板材變形行為及應(yīng)用研究[D]. 北京: 機(jī)械科學(xué)研究總院, 2017: 38-52.

JIN Fei-xiang. Research on Deformation Behavior and Application of Pre-Deformed Aluminum Alloy Sheet with Different Strain Rate[D]. Beijing: Academy of Machinery Science and Technology, 2017: 38-52.

[12] 劉萍. 塑性變形過程中的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)分析[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2010: 30-44.

LIU Ping. Study of the Dislocation Dynamics in the Pla-stic Deformation[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2010: 30-44.

[13] ANDERSON P M M, HIRTH J P, LOTHE J. Theory of Dislocations[M]. New York: Cambridge University Press, 2017: 12-35.

[14] 劉維, 梅龍, 褚興榮. 金屬板料高速率拉伸試驗(yàn)及其硬化模型的綜述[J]. 精密成形工程, 2016, 8(2): 30-36.

LIU Wei, MEI Long, CHU Xing-rong. Review of Tensile Tests at High Strain Rates and Hardening Models of Sheet Metal[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2016, 8(2): 30-36.

[15] 萬敏, 程誠, 孟寶, 等. 金屬板材屈服行為與塑性失穩(wěn)力學(xué)模型在微尺度下的應(yīng)用[J]. 精密成形工程, 2019, 11(3): 1-13.

WAN Min, CHENG Cheng, MENG Bao, et al. Mecha-n-i-cal Model for Yielding Behaviour and Plastic Instability of Sheet Metals and Its Application at Microscale[J]. Jour-nal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(3): 1-13.

[16] 楊剛, 張沖, 婁燕山. 5182-O鋁合金塑性成形性能表征[J]. 精密成形工程, 2022, 14(4): 61-68.

YANG Gang, ZHANG Chong, LOU Yan-shan. Characterization on Plastic Forming Properties of 5182-O Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(4): 61-68.

[17] VARVENNE C, LEYSON G, GHAZISAEIDI M, et al. Solute Strengthening in Random Alloys[J]. Acta Materialia, 2016, 124: 660-683.

[18] SEDLá?EK R, BLUM W. Microstructure-Based Constitutive Law of Plastic Deformation[J]. Computational Materials Science, 2002, 25(1): 200-206.

[19] AIFANTIS E. The Physics of Plastic Deformation[J]. International Journal of Plasticity, 1987, 3(3): 211-247

[20] 毛衛(wèi)民, 朱景川, 酈劍. 金屬材料結(jié)構(gòu)與性能[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008: 55-84.

MAO Wei-min, ZHU Jing-chuan, LI Jian. The Structure and Properties of Metallic Materials[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008: 55-84.

[21] VERDIER M, GROMA I, FIVEL M. Mesoscopic Scale Simulation of Dislocation Dynamics in FCC Metals: Principles and Applications[J]. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 1998, 6(6): 755-770.

[22] KLEEMOLA H J, RANTA-ESKOLA A J. Comparison of the Strain-Hardening Parameters of Sheet Metals in Uniaxial and Biaxial Tension[J]. Metallurgical Transactions A, 1976, 7(4): 595-599.

[23] GARCíA-CASTILLO S K, SáNCHEZ-SáEZ S, BARBERO E. Behaviour of Uniaxially Preloaded Aluminium Plates Subjected to High-Velocity Impact[J]. Mechanics Research Communications, 2011, 38(5): 404-407.

[24] HIRSCH P B, HORNE R W, WHELAN M J. Direct Observations of the Arrangement and Motion of Dislocations in Aluminium[J]. Philosophical Magazine, 2006, 86(29): 4553-4572.

[25] 梅一兵. AZ31鎂合金薄板變路徑加載下各向異性實(shí)驗(yàn)和模型研究[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2019: 40-65.

MEI Yi-bing. Loading History Effect on the Evolution of Anisotropy of AZ31 Mg Alloy under Change Loading: Experiments and Constitutive Modeling[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2019: 40-65.

Effects of Loading Paths on Mechanical Properties and Microstructure of 5A06 Aluminum Alloy

LIU Li1, JIANG Jian-tang2, HE Qiong-yao3, ZHAO Yun-qiang1, ZHEN Liang2

(1. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510651, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3. Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

The work aims to study the effect of pre-loading direction and biaxial loading on the properties of 5A06 aluminum alloy through mechanics performance testing and microstructure characterization. The specimen was pre-deformed in the axial direction (rolling direction, RD) and the transverse direction (TD), and then stretched along RD to compare the effects of pre-loading direction on the mechanical properties of the alloy. The mechanical property change of the alloy under biaxial loading were studied by biaxial tensile test. The through transmission electron microscope (TEM) was used to observe the dislocation configuration in typical specimen under pre-loading and biaxial loading and analyze the effects of loading path on dislocation configuration. Results showed that pre-loading improved the yield strength of 5A06 aluminum alloy and decreased its elongation. Compared with pre-loading in RD, pre-loading in TD had less effects on the yield strength and elongation. The tensile strength of specimen with pre-loading in TD was slightly higher than that of pre-loading in RD. Specimen under different pre-loading directions had different dislocation configuration. When the pre-loading direction was the same as the subsequent loading direction, the dislocations mainly packed along one direction, while for the specimen which had different pre- and subsequent loading directions, the intertwined dislocation entanglement were observed in the specimen. The stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy under different loading paths was different. As the loading ratio approached to equal, the work hardening coefficient increased, and it was the highest when the loading was equal in two directions. As the stress state changed from single tension to equal double tension, the interval of yield point was different at different stages, the equal tension state showed the largest, and the single tension state showed the smallest. For specimen with different loading ratios, the dislocation density increased with the increase of strain in the central region. These results indicate that the pre-loading paths can significantly affect the mechanical properties and the dislocation configuration of 5A06 aluminum alloy. The results of this study can provide a theoretical basis for the forming process design and performance prediction of aluminum alloy components. Biaxial loading of different proportions will affect the stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy.

5A06 aluminum alloy; pre-loading; biaxial tension; mechanical property; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.003

TG146.2

A

1674-6457(2022)08-0020-08

2022–05–23

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2021A1515110062）；廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（202201011373）；廣東省科協(xié)青年科技人才培育計(jì)劃（SKXRC202201）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFE0205300）

劉莉（1989—），女，博士，工程師，主要研究方向?yàn)殇X合金塑性變形行為和焊接性能。

姜建堂（1978—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)檩p金屬材料的組織性能及變形斷裂行為。

責(zé)任編輯：蔣紅晨