应变速率对6082铝合金拉伸性能及断口形貌的影响

2020-06-29董刘颖李秋梅马龙飞刘兆伟何冬阳

热处理技术与装备 2020年2期

董刘颖，李秋梅，马龙飞，刘兆伟，周龙，何冬阳

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

6082铝合金具有密度低、强度高、塑性好、耐腐蚀和良好的导电性、导热性、成形性等特点[1-3]。随着轻量化发展的需求，铝合金越来越多的应用于汽车、轨道车辆、航空、航天、机械制造、船舶及化学工业等领域，尤其在汽车行业，替代钢用作汽车零部件，是实现轻量化、现代化的有效途径[4]。

在铝合金结构碰撞和快速成型过程中，材料将发生高速变形。不同的变形速率将导致材料的强度、伸长率等力学性能发生改变，而高速拉伸试验是了解材料特性和变形速率相关性的基本方法之一。许多工程材料在变形甚至塑性失效的过程中，表现出与应变速率正相关的特征，即随着加载应变速率的提高，材料的屈服强度与失效(断裂)应变也提高[5]。已有研究结果发现铝合金属于低应变速率敏感性材料[6-7]。在室温下，当应变速率超过1000 s-1时，铝及铝合金表现出逐渐增加的应变速率敏感性[8]。

为研究铝合金材料1000 s-1及以下的应变速率敏感性，本文对6082铝合金进行高速拉伸试验与断口分析，为正确评价不同应变速率对铝合金材料拉伸性能的影响提供参考。

1 试验方法

本试验材料选用2.7 mm厚的6082合金挤压型材，状态为T6，其化学成分见表1。应变速率设计为4个等级，分别为 1000、500、100、0.008 s-1，每个速率取4个高速拉伸试样，选取接近平均值的一组数据进行应力应变处理，利用扫描电镜(SEM)观察拉伸试样的断口形貌。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)

2 试验结果与分析

2.1 不同应变速率下的应力-应变曲线

合金试样在不同应变速率下的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率和弹性模量，见图1。从图中可以看出，当应变速率等于或低于0.008 s-1时，合金属于静载荷拉伸，强度最低，断后延伸率最高。随着应变速率的提升，合金强度降低，断后延伸率减小。而合金弹性模量在不同应变速率下均无明显变化。

图2为合金试样在不同应变速率下的应力-应变曲线。可以看出，试样在100、500和1000 s-1较高应变速率下，随应变速率增加，流动应力增加幅度较明显，表现出正应变效应。这主要因为随着应变速率增加，位错增殖速率加快并塞积，位错运动阻力增加，导致加工硬化，流动应力增加，从而降低了合金塑性。试样应变速率为0.008 s-1时，随着拉伸过程的推进，峰值强度接近100 s-1，且塑性与其相当，这说明应变速率在100 s-1以下，应变率敏感性将减弱。图中还可看出，应变速率对弹性阶段的影响较小，这归因于弹性变形的速率要远大于应变速率，使应变速率变化对其影响较小。相对而言，塑性变形阶段需一定的时间经历位错增殖与运动，对不同材料，克服阻力的时间不同，因而应变速率变化对合金应力影响较为明显。

(a)屈服强度、抗拉强度；(b)断后延伸率、弹性模量

(a)工程应变-工程应力；(b)真应变-真应力

2.2 断口形貌

图3为不同应变速率下试样断口组织形貌，从图中可知，在静载荷、低应变速率0.008 s-1下，以韧性断裂为主，合金中位错密度较大，分布相对均匀，塑性较高，与拉伸试验结果一致，且断口附近具有明显的颈缩现象。在应变速率为100 s-1时，合金断口出现明显的解理面，位错台阶出现，韧窝变小，以脆性断裂为主，合金的伸长率下降，这可能是随着拉伸过程试样截面积的减小，应变速率相应的叠加，微观形貌会发生韧窝-准解理-解理的转变[9]。而随着应变速率增加，合金断口中位错密度下降，以裂纹相连形成的位错台阶更为明显，韧窝数量变少且尺寸也变小，应变速率1000 s-1时最为明显，呈现出脆性断裂特征。

(a)0.008 s-1；(b)0.008 s-1；(c)100 s-1；(d)100 s-1；(e)500 s-1；(f)500 s-1；(g)1000 s-1；(h)1000 s-1

3 讨论

据有关研究发现，金属应变率效应是因为位错变形时位错密度随应变量的加大，使流动应力增加，而位错密度的降低和位错的重新排列，又降低了流动应力，即加工硬化和动态软化相互作用[10]。合金在准静态或较低应变速率下是一个等温过程，而在高应变率下，是一个绝热升温过程。材料的屈服应力还受温度的影响，高温使材料的屈服应力下降，在高应变率和高温相互耦合作用下，铝合金构成了复杂的应变率现象[11]。由此可知，当应变速率达到一定值时，可能会出现合金强度和塑性同时增加的现象。