几种铝合金材料动态力学性能测试

张正礼

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

几种铝合金材料动态力学性能测试

张正礼

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

为了研究飞机结构常用铝合金材料（包括2024、7050和6061）的动态力学性能，利用电子万能试验机和Hopkinson杆测试技术，在大范围应变率下，对这些材料的试件进行准静态和动态拉压试验，获取了这些材料的动态应力-应变曲线。通过对比实验结果，分析了这些材料的应变率敏感性，并根据位错理论对试验结果进行解释和探讨。结果表明：2024和7050是应变率不敏感材料，甚至在高应变率下表现出软化现象，而6061是应变率敏感材料，在高应变率下表现出应变硬化现象。

铝合金；动态力学性能；Hopkinson杆；应变率；动态应力-应变曲线

鸟撞飞机是民用飞机安全飞行的一个威胁，并且鸟撞事故会造成航空公司的经济损失，仅2011年鸟击事件万架次率为2.572，鸟击事故征候万架次率为0.212，中国民航因鸟击造成损失约11 332.8万元人民币[1]，因此需要对商用飞机进行抗鸟撞设计。由于真实结构的鸟撞问题是一个高度非线性的冲击动力学问题[2]，而从材料供应商处获取的材料参数是静态的，利用这些静态参数无法计算出飞机结构遭受鸟撞时的真实结果。国内外学者对钢、钛等金属的动态力学性能研究较多[3-8]，而对飞机结构铝合金材料动态力学性能研究较少。本文采用动静态结合的方式对2024、7050和6061类型的铝合金，在不同应变率下的力学性能进行测试，获取这些材料的动态力学性能数据，根据测试结果分析了这几种常用飞机结构材料的动态力学性能，为民用飞机结构抗鸟撞设计提供可靠的数据。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验的测试装置有2种：电子万能试验机和Hopkinson杆测试技术，电子万能实验机用于测试材料在准静态变形过程中的力学性能，Hopkinson杆测试技术用于测试材料在动态变形过程中的力学性能。

电子万能试验机的装置附有球形承垫，球形承垫位于试件的下端。当试件端面略有不平时，球形承垫可以自动调节，使压力趋于均匀分布。在实验过程中，试样所受的载荷及压头的位移会通过计算机记录并绘制成P-ΔL关系曲线，P-ΔL的定量关系不仅取决于材质并且受试件几何尺寸的影响，但可以通过式（1）和式（2）[9]转换为工程应力应变σ-ε曲线

其中：A0和L0分别代表初始条件下的面积和长度。σε曲线与P-ΔL曲线相似，但消除了几何尺寸的影响，因此，当材料变形较大时，采用真实应力和应变来表征材料性能更为准确，材料真实应力应变与工程应力应变的关系如式（3）和式（4）[10]所示

其中：拉伸情况用“+”号，压缩情况用“-”号。本文所给出的所有应力应变曲线均为真实应力应变曲线。

传统的Hopkinson压杆系统由气炮、子弹、入射杆、透射杆、吸收杆、数据测试系统和支持系统等组成，装置示意图如图1所示[11-14]。根据一维应力波理论[15]，当子弹以一定速度撞向入射杆时，在其中形成一列入射应力波向试样方向传播，入射脉冲的长度是子弹长度的2倍，脉冲幅值与撞击速度成正比，入射波到达试样与入射杆的接触面后，一部分被反射，反射波沿入射杆以拉伸波的形式返回，另一部分波通过试样透射进透射杆，由于加载脉冲的作用时间比试样中波的传播时间要长的多，所以这里忽略试样内部波的传播效应。吸收杆在透射杆的后方，其端部与大质量的铅块接触，吸收透射杆传来的无用动量。在入射杆和透射杆到试样距离相等处沿压杆径向安装应变传感器，它把应力波在杆中产生的应变转化成电压信号，通过示波器记录下来，根据一维弹性波传播理论则可以计算出试样的应力和应变。

图1 分离式Hopkinson压杆试验装置Fig.1 Split Hopkinson pressure bar testing equipments

1.2 试件设计

本文要进行测试的材料包括2024、7050和6061类型的铝合金材料，根据进行的试验类型设计出不同的试验件：

1）准静态压缩试验件。压缩试样通常采用圆柱形如图2所示。当试件承受压缩时，试样端部横向变形受到端面与实验机承垫间摩擦力的影响，使试样变形呈鼓形。这种摩擦力的影响，使试样抗压能力增加，试样愈短，影响愈加显著，当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就会减少，但过于细长，又容易产生失稳。因此，压缩试样的抗压能力与其高度h0和直径d0的比值有关。金属材料压缩实验用的试样，一般规定试样的尺寸h/d=1~3；为了使试样尽量承受轴向压力，试样两端必须平行，平行度<0.02%h，并且与试样轴线垂直，垂直度<0.25°。两端应制的光滑以减少摩擦力的影响。本实验所用准静态圆柱形试样的直径d0=5 mm，初始的K=1。

图2 准静态压缩试验件Fig.2 Quasi-static compression specimen

2）准静态拉伸试验件采用如图3所示的哑铃形试样。

图3 准静态拉伸试验件Fig.3 Quasi-static tension specimen

3）动态压缩试验件同准静态压缩试验件一致。

4）动态拉伸试验件。Hopkinson拉杆实验中采用的试样形状为夹持端带螺纹连接的哑铃形状试样，如图4所示。

图4 动态拉伸试验件Fig.4 Dynamic tension specimen

2 结果与分析

2.1 2024铝合金

图5和图6给出了2024铝合金动态静态应力应变曲线。从图5可看出，2024铝合金的屈服应力在不同应变率下差别不大，并没有表现出明显的应变率敏感性，在340 MPa左右。在流动应力阶段，考虑到动态数据具有一定的分散性，对2条动态曲线进行平均后也可认为该铝合金材料不具有明显的应变率敏感性。值得注意的是，2024铝合金在塑性流动阶段的应变硬化特性在拉伸加载条件下有所下降，甚至在一定应变值之后表现出软化的趋势。从图6可看出，压缩实验结果较之拉伸实验结果一致性更好，2024铝合金的应变率敏感效应不显著。材料的屈服应力大约在340MPa左右，屈服点之后，2024铝合金表现出明显的应变硬化特性，最终失效应变可达到700 MPa左右。

图5 2024动静态拉伸应力应变曲线Fig.5 2024 static and dynamic tension stress-strain curves

图6 2024动静态压缩应力应变曲线Fig.6 2024 static and dynamic compression stress-strain curves

可见，2024铝合金是一种应变率不敏感材料，在较低应变范围内近乎应变率不敏感，大应变范围内不同应变率下失效应力最大差不大于30 MPa；不同应变率下压缩失稳应变最大差不大于15%。通过进一步绘制2024铝合金材料在20%应变时的压缩流动应力随应变率变化关系曲线，如图7所示，也可以看出，该材料在室温下不存在明显的应变率敏感性。此外，图8显示了2024铝合金材料在拉伸载荷作用下的失效应变（试样断裂时的工程应变）和应变率关系，随着应变率的提高，2024铝合金的失效应变呈下降趋势，应变率由2 000/s升高到3 000/s时，下降最为明显，说明在高应变率下2024铝合金表现出脆性，这是因为随着应变率的升高，材料瞬间塑性变形很大，导致位错密度增大[16]，使得位错的滑移越来越困难，宏观上表现为材料的韧性降低，脆性增大。

图7 2024流动应力曲线Fig.7 2024 flowing stress curve

图8 2024不同应变率下的失效Fig.8 2024 rupture strain

2.2 7050铝合金

图9和图10给出了7050铝合金动态静态应力应变曲线。从图9中可以看出，7050铝合金的屈服应力在不同应变率下差别不大，并没有表现出明显的应变率敏感性，在450 MPa左右，高于2024铝合金。屈服点过后，材料的流动行为表现出理想塑性变形特性，应变硬化现象不明显，甚至在高应变率变形条件下表现出显著的软化特性。7050铝合金的拉伸力学行为随应变率变化并没有表现出明显的递增或递减的规律，应变率敏感性不明显。

图9 7050动静态拉伸应力应变曲线Fig.9 7050 static and dynamic tension stress-strain curves

图10 7050动静态压缩应力应变曲线Fig.10 7050 static and dynamic compression stress-strain curves

从图10中可以看出，7050铝合金的压缩屈服应力随应变率变化表现出较大的分散性（介于450～680 MPa之间）。在塑性变形阶段，流动应力表现出一定的应变硬化特性。7050铝合金压缩力学行为也没有表现出明显的应变率硬化特性。

可见，7050铝合金是一种应变率不敏感材料，图11所示的在20%应变时的压缩流动应力随应变率变化关系曲线可以清楚地显示出7050铝合金同2024铝合金一样，基本不存在应变率敏感性。此外，图12显示了7050铝合金材料在拉伸载荷作用下的失效应变（试样断裂时的工程应变）和应变率关系，随着应变率的提高，7050铝合金的失效应变呈下降趋势，应变率由2 000/s升高到3 000/s时，下降最为明显，说明7050铝合金在高应变率下表现出脆性，原因同2024铝合金一样。

图11 7050流动应力曲线Fig.11 7050 flowing stress curve

图12 7050不同应变率下的失效Fig.12 7050 rupture strain

2.3 6061铝合金

图13和图14给出了6061铝合金动态静态应力应变曲线。从图中可以看出，6061铝合金与2024和7050铝合金有所不同，其在动态和静态加载条件下表现出明显的差异。拉伸屈服应力在动态加载（320 MPa）条件下相对于静态加载（270 MPa）提升了约18.5%。在屈服点过后的流动应力阶段，准静态拉伸曲线呈现理想塑性变形的特点，而动态拉伸曲线则表现出明显的应变硬化现象。在大变形范围内，6061铝合金材料的动态拉伸强度远远高于静态拉伸情形。压缩曲线也表现出明显的应变率敏感性，应力水平随着加载应变率的提升而逐渐升高。

图13 6061动静态拉伸应力应变曲线Fig.13 6061 static and dynamic tension stress-strain curves

图14 6061动静态压缩应力应变曲线Fig.14 6061 static and dynamic compression stress-strain curves

3 结语

本文采用电子万能试验机和Hopkinson杆测试技术，对2024、7050和6061类型的铝合金，在较大应变率范围内进行动态力学性能测试，获得了动态应力应变曲线，根据这些曲线利用Johnson-Cook模型[5]可以建立出这些材料的动态力学本构模型，为民用飞机结构抗鸟撞设计和分析提供可靠的依据。根据试验结果可以给出如下结论：

1）2024和7050铝合金是应变率不敏感材料，随着应变率的升高，失效应力没有明显的升高，在高应变率下表现出软化。

2）6061铝合金是应变率敏感材料，随应变率的升高，失效应力有明显升高，在高应变率下表现出硬化。

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（责任编辑：杨媛媛）

Testing of dynamic mechanical property of several aluminum alloy materials

ZHANG Zheng-li
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

In order to research dynamic mechanical property of aircraft structure common aluminum alloy materials（including 2024，7050 and 6061），universal testing machine and split Hopkinson pressure bar are used in large-scale strain rate（10-4/s~104/s），quasi-static and dynamic，tension and compression testings.Dynamic stress-strain curves of those materials are obtained.Strain rate sensitivity is analyzed.The intrinsic mechanism is discussed according to the dislocation motion theory.The experimental results show that 2024 and 7050 have no strain rate sensitivity and 6061 has strain rate sensitivity.

aluminum alloy；dynamic mechanics property；Hopkinson pressure bar；strain rate；dynamic stress-strain curves

V250.3；O347

：A

：1674-5590（2014）01-0041-05

2012-12-28；

：2013-03-22

张正礼（1981—），男，河南上蔡人，工程师，硕士，研究方向为飞机结构设计与强度分析.