7050铝合金拉扭破坏的力学及声发射特征试验

濮婧婧， 李顺才， Слатин Вадим Иосифович， 吴春力

(1.江苏师范大学 江苏圣理工学院，江苏徐州221116;2.圣彼得堡彼得大帝理工大学先进制造技术学院，圣彼得堡195251)

0 引言

铝合金是常见的工程材料，在工程实际中往往承受拉伸压缩、剪切挤压、扭转、弯曲等基本变形及组合变形的作用，且不同的组合变形作用下构件的破坏形式及声发射现象也互不相同。朱孝谦等［1-2］研究7075铝合金、6061铝合金、5A06铝合金单轴拉伸时的声发射行为。徐修全［3］针对胀紧式夹具加持的可靠性能和多物理场测试的功能要求对力学性能原位测试仪进行优化、修正和建模，对6061铝进行拉伸试验来验证公式的正确性。刘波等［4-5］对2A12铝合金和多晶铝进行双轴拉扭复合加载实验，并结合数值分析，校准铝合金的延性破坏模型。冉广等［6］用扫描电镜对铝合金试件断口的微观形貌进行观察，得到了铝合金的疲劳寿命规律。刘莉［7］研究了加载比例对5A06铝合金变形行为的影响。朱浩等［8］在万能拉伸机上对6061铝合金进行五种不同加载速率的拉伸剪切实验，应用有限元软件模拟研究其在剪力状态下的断裂行为和力学性能。贾江滢等［9］研究6020铝合金试件在四种不同加载速率下的拉伸力学性质。刘世民等［10］研究LY12铝合金试件在五种加载路径下的疲劳性能，并且用扫描电镜观察试样的断口，五种加载路径下的断口形貌不一样。实验得出试件在纯扭转时寿命最长。范宋杰等［11］对A356系列铝合金进行金相扫描电镜实验和场发射扫描电镜实验，分析共晶硅相及气孔的分布特征、形貌研究断裂过程和机理。刘洲等［12］对ZL101铝合金试样进行室温拉伸试验，采用应力递增、加载速度为1mm/min的加载方式，观察断口形貌、显微组织和断口截面的背散射电子像。Abubaker［13］通过Abaqus仿真软件，分析7075铝合金在拉伸载荷以及弯曲载荷下的力学响应。刘斌等［14］对经过两种不同热处理的2024铝合金试件进行不同应力幅值以及不同加载路径下的单轴拉压疲劳试验，研究不同加载状态与疲劳寿命之间的关系。陈亚军等［15］采用正弦波对称加载法，研究不同的应力幅比对2A12铝合金疲劳失效的影响规律。Scales等［16］研究铝6061-T6管状试样在受到剪切和拉伸直至失效的过程。Mungole等［17］研究经高压扭转(HPT)处理铸态铝合金在不同拉伸应变率作用下的变形，通过原子显微镜直接测量晶体滑动对总应变的影响。Murashkin等［18］研究了1570铝合金经高压扭转塑性变形时的组织性能与力学性能。

7050铝合金常用于飞机结构件，用于制作中厚板挤压件、自由锻打件与模锻件。但是铝合金在拉伸-扭转组合作用下，拉力及扭矩的载荷比例、拉伸扭转加载速率对力学特征及声发射特征规律的影响以及对破坏应力、破坏面的影响，目前未见详细报道。本文设计了金属拉伸-扭转组合变形的力学及声发射特征测试与分析系统，用以研究铝合金拉伸-扭转组合破坏的宏观与微观机理，进一步探索拉伸-扭转加载速率、加载比例、加载路径等因素对试件破坏应力、声发射能量等物理量的影响。

1 试验系统与试件

图1为试验中力学部分的实验仪器结构示意图。试验设备为力尔牌DLNKJ-150-500型拉扭组合多功能试验机。该试验机的最大试验力150 kN，最大扭距500 N·m。扭转速度调节范围0～5 r/min，扭转角度分辨值为 0.018°。

声发射设备是DS2-8B系列全信息声发射信号分析仪。它的优点是波形采集完整、参数提取完整、定位功能精确、视窗设计灵活和同组数据灵活，设置不同的门限和HDT时间，能够得到的不同结果和多种相关图风格。放大器选取的是增益可调放大器，有20/40/60dB可供调节。传感器型号为RS-2A，在频率50～400 kHz都能使用，适宜的温度范围较大。声发射的相关配件为铅笔铅芯耦合剂、传感器接触面转换器、信号线和外参转接线。

试验中标准拉扭试件的标距100 mm、标准直径10 mm，如图2所示。

图1 利尔力学试验机结构示意图

图2 铝合金试件

2 试验方案

选取4个铝合金标准试件，分别编号为L1、L2、L3、L4。量取其标距L0和直径d0，做好试件实验前相关尺寸的记录，将拉伸及扭转速率比设置为3∶4，轴向位移加载速率v及扭转角位移加载速率γ如表1所示。

表1 铝试件的尺寸和加载速率方案

3 主要试验步骤

(1)安装试件。将声发射传感器1、传感器5分别粘贴固定在试件标距左端点起20 mm和80 mm处，如图3所示。然后将试件装入拉伸扭转组合专用夹头内拧紧固定螺丝完成安装，如图4所示。

图3 声发射传感器的固定

图4 固定在夹头内的试件

(2)加载并采集信号。启动微机，启动程序“力尔试验系统”，在软件操作界面选定试验类型，完成参数设置，点“启动”进行校零。完成校零后，按照设计方案设置加载速率。力尔试验系统具有数据实时采集功能，能够对于试验数据进行实时存储，试验过程中同步采集拉力、扭矩、轴向变形及扭转角。

同时，在另一台电脑上启动声发射信号分析软件。启动后进行参数设置，检测各通道背景噪声强度，设置门槛值。采集过程中，对声发射事件自动计数、储存，并实时监测试验过程中的声发射现象。

(3)观察并量取破坏后试件的相关尺寸。试件断裂后将其从夹头中取出，观察试件断口形状，并将断裂后的试件重新拼接在一起，测量计算延伸率。

(4)提取特征值，分析计算。提取所采集的力学信号、声发射信号的特征值并进行后续的分析计算。

4 拉扭组合变形理论破坏应力

试件在拉力F及力偶M作用下产生拉伸扭转组合变形，如图5所示。应力值最大的危险点在试件表面，构件表面A点的单元体应力分布如图6所示。根据应力分析，图6中σy=0。

图5 杆件拉伸组合变形

不同金属材料的拉扭破坏一般表现为脆性断裂或塑性剪切屈服。基于平面应力状态理论得到经过A点的各斜截面上的最大正应力(主应力)σ1及最大剪应力τmax。主应力计算公式:

图6 单元体应力分析

式中:σx=Fm/A0;材料脆性断裂时，τxy=Tm/WT，材料塑性屈服时其中Fm，Tm分别为拉扭试验

加载破坏过程中的最大轴力及最大扭矩。

主应力方向与横截面夹角的计算公式

最大剪应力的计算公式

最大剪应力所在面与横截面的夹角α1满足:

5 试验结果及分析

5.1 不同加载速率下试件的载荷-变形曲线

铝合金材料的轴力-轴向位移曲线如图7所示，扭矩-扭转角曲线如图8所示。

图7 不同加载速率下铝合金试件的轴力-位移曲线

图8 不同加载速率下铝合金试件的扭矩-扭转角曲线

由图7和8可知铝合金表现为与碳钢类似的塑性屈服特征。试验结束后各试件的力学性能参数如表2所示。将表2中最大轴力F、最大扭矩T代入式(3)和(4)，得到铝合金的破坏应力τmax及其破坏面方向α1，如表3所示。拉扭破坏面方向角的实测值如表4所示。

表2 铝试件的力学参数

表3 试件铝在不同速率下的破坏应力及其破坏方向

表4 试件拉扭破坏面方向的实测值

拉扭破坏后的试件破坏面如图9所示，图10显示的是计算拉扭破坏断面方向角度的示意图。

图9 拉扭破坏后的试件

图10 计算断面示意图

比较表3和表4，计算结果与测量值非常接近，表明，拉扭组合作用下铝合金的破坏是由最大切应力引起的。随着加载速率的减小，试件拉扭破坏面的方向角逐渐增大。

5.2 声发射特征试验结果与分析

将试验过程中接收到的声发射传感器信号经由前置放大器以及滤波器传入分析软件。采取参数分析法分析声发射信号的特征参数如幅度、撞击数及能量等。

声发射幅度用UAE表示，声发射能量用E表示，分别绘制出铝合金4个试件声发射幅度变化及能量变化的曲线，如图11和12所示。

图11 试件声发射幅度-时间变化曲线

图12 试件声发射能量-时间变化曲线

统计不同试件声发射参数平均振铃计数、平均幅度值AE，绘制相应的特征参数随加载速率的变化曲线如图13所示。

图13 不同加载速率下的声发射平均参数

综合图11～13可知:①铝合金试件的声发射能量释放形式表现为孤震型，在断裂时有一个明显的声发射峰值，具有一定塑性的材料在断裂时释放的能量最多。②不同加载速率的试件断裂时间不同，加载速率越小，断裂所需时间越长。③试件3(轴向速率1.2 mm/min)的声发射能量及平均振铃计数最高，其时间曲线出现了多次峰值，试件2(轴向速率1.5 mm/min)的声发射特征参数最小。④随着加载速率的增加，平均声发射幅度值增加，而平均振铃计数呈现先急剧增加后迅速下降的趋势。

以编号L1的铝合金试件为例，画出轴力与撞击数的关系图，如图14所示。由图14可知，试件的弹性阶段为0～250 s，在弹性变形阶段，撞击数波动小，该阶段材料只产生少量的声发射信号。在塑性变形阶段，撞击数波动明显，该阶段大量声发射信号产生。因此，撞击数波动情况可以反映试件在拉伸过程中的状态变化，区分弹性变形和塑性变形阶段。

图14 L1试件轴力与撞击数随加载时长的关系图

6 结语

通过铝合金在不同加载速率下的拉扭试验，得到其在相应速率下的载荷-变形曲线。基于试验数据计算了破坏应力及破坏面方向，并实测了破坏面与横截面夹角。试验表明:①铝合金表现为与碳钢类似的塑性屈服特征。②铝试件裂纹的扩展速度较慢，从受力至断裂历经的时间长。③不同加载速率下裂纹扩展时间不同，加载速率越小，裂纹扩展所需时间越长。④铝合金试件的声发射幅度曲线明显，分布密集。随着加载速率的增加，平均声发射幅度值增加。