扭转冷作硬化对6061-T651 铝合金动静态力学性能的影响

2023-12-18程文修程军超钟政烨

材料工程 2023年12期

程文修，程军超，钟政烨*，范端

（1 西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031；2 顶峰多尺度科学研究所，成都 610207）

铝及其合金具有高的比强度和比刚度、较好的耐腐蚀性、制备成本低及易加工等优异性能，被作为轻质结构材料广泛应用于航空航天、车辆工程、国防军工等领域［1-5］。在一些极端服役条件下，铝合金不可避免地会受到冲击载荷，例如，汽车在行驶过程中可能会和外部物体产生碰撞，飞机在起飞和着落的过程中也会出现高应变率载荷［6-8］。因此，除了研究铝合金的准静态力学性能以外，其动态力学性能也成为研究热点［9-10］。

然而，现阶段的铝合金就准静态力学性能和动态力学性能而言，无法很好地满足上述复杂的服役条件。近年来，一些研究人员通过改变铝合金内部微结构来提高综合力学性能以满足服役条件。例如，陈宇强等［11］利用高温扭转法制备6061 铝合金/304 不锈钢层状复合材料，探究不同扭转工艺对其组织和性能的影响，结果表明，材料抗拉强度随着扭转角度的增加而下降，但伸长率显著提高。李姚君等［12］研究了拉压冷变形过程中2A14 铝合金强度的变化规律，结果发现，经过拉伸冷变形的2A14 铝合金时效强化效果更加明显。宁成义等［13］研究了不同工艺参数的激光冲击处理对5083 铝合金力学性能的影响，结果表明，激光冲击强化产生的塑性变形可以有效提高铝合金的抗拉强度与表面硬度。安奎星等［14］利用扭转冷作硬化方法对6063 铝合金进行了强化，并研究了扭转塑性变形程度对6063 铝合金拉伸力学性能的影响。王轶松［15］以6082 铝合金为研究材料，探讨了冷作硬化对其拉伸力学性能的影响，得到了不同扭转角度下合金拉伸性能的变化规律。上述研究均采用不同方法对铝合金进行强化，并进行了准静态力学性能的测量。但是，针对冷作强化后铝合金动态力学性能的研究，却鲜有人探讨。

金属材料在应对外部载荷时具有能够阻碍其自身继续进行塑性变形的能力。根据位错强化理论，应变硬化效应的本质是位错的增加和位错运动的受阻［16］。在这个过程中，随着变形程度的增加，金属的硬度和屈服强度增大，但塑性和韧性却有所下降。冷作硬化是现阶段实际工程应用中对材料硬度和强度进行强化最常用的加工方法，它被广泛地应用于提高金属材料的屈服强度和抗拉强度。冷作硬化是以产生塑性变形的方式对材料进行强化，本质上是一种通过改变铝材内部微结构来提升材料力学性能的物理方法，因其操作简单，可行性较好，被广泛应用于金属材料的强化研究［17］。冷作硬化大致分为拉伸硬化和扭转硬化，拉伸强化在工程中被广泛用于提高材料的屈服强度［15］。但是，随着拉伸过程中应力的增加，真实应力随着样品横截面面积的减小而增加。当载荷达到一定程度时，由试件横截面面积减小导致真实应力增加超过一个阈值，样品就会达到一个不稳定的临界点［18］。相比于拉伸强化，扭转塑性变形不会导致截面积减小，被认为具有重要的研究价值。扭转冷作硬化技术在工程实践中的应用有望产生显著的经济效益［19］。因此，研究扭转硬化对铝合金动态力学性能的影响可以提供铝合金动态响应下的关键数据，对铝合金结构材料在极端条件下服役具有重要的指导意义。

本工作以6061 铝合金为研究对象，它是一种应用非常广泛的Al-Mg-Si 合金［20-22］。利用扭转工艺对6061 铝合金进行冷加工，以达到对合金的改性，研究扭转角度对6061 铝合金微结构的影响。同时利用万能试验机和分离式霍普金森杆进行准静态压缩实验和动态压缩实验，探讨改性前后6061 铝合金的动静态力学性能变化规律。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为成都和兴隆金属材料有限公司提供的6061Al-T651 合金。合金的化学成分（质量分数/%）为：Mg 1.05，Si 0.66，Fe 0.41，Cu 0.31，Cr 0.27，Mn 0.12，Ti 0.04，Zn 0.02，其余为Al。初始物相和微观结构采用X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和电子背散射衍射（electron backscattering diffraction，EBSD）进行表征。XRD 所用设备为Panalytical X 射线衍射仪，测量角度（2θ）范围在25°～85°之间，结果表明该材料为面心立方结构（图1）。将6061Al-T651 合金进行机械研磨抛光，之后使用体积分数为10%高氯酸和90%乙醇的电解液进行电解抛光，电压为30 V，电流控制在1.0 A 左右。EBSD 表征所用设备为FEI Quanta250 扫描电子显微镜，扫描步长为1 μm。利用HKL Channel 5 软件对EBSD 收集的数据进行后处理。反极图（inverse pole figure，IPF）（图2（a））显示6061Al-T651 合金的平均晶粒尺寸约为10.4 μm，Kernel 平均取向差（Kernel average misorientation，KAM）（图2（b））为0.68°。

图1 6061Al-T651 铝合金的XRD 谱图Fig.1 XRD pattern of 6061Al-T651 aluminum alloy

图2 6061Al-T651 铝合金的EBSD 表征（a）反极图；（b）KAM 图Fig.2 EBSD characterization of 6061Al-T651 aluminum alloy （a）IPF map；（b）KAM map

1.2 实验方法

本实验采用自制的扭转实验装置研究了扭转角度对6061Al-T651 合金微观组织的影响。扭转实验装置如图3 所示。扭力装置固定在光学板上。在车床上加工的样品由扭转设备的两个夹头固定。样品具体尺寸如图3 插图所示。在通电后，电机输出的扭矩被行星减速器放大。扭矩和扭转角分别使用扭矩传感器和编码器记录。夹持样品的两个夹头包括主动夹头和被动夹头。样品用螺钉固定在活动夹头上以确保扭矩传递。与此同时，为了确保样品受到纯剪切，在实验过程中卡入被动夹头的样品那端没有被固定。扭转角分别为90°，180°和360°。所有实验的扭转速度为0.5 （°）/s。

图3 扭转装置原理图Fig.3 Schematic diagram of torsion device

扭转实验结束后，选择扭转后样品的标距段进行准静态和动态压缩实验。准静态实验在SUMS UTM5105设备上进行，应变率分别为0.001 s-1和0.01 s-1。高应变率加载所用设备为分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）。SHPB 的撞击杆、入射杆和透射杆均采用直径为12.7 mm 的弹簧钢制成。6061-T651 铝合金的平均应变率ε̇、应力σ和应变ε之间的关系可以从入射波和透射波中推导出来。相关公式如下所示［23］：

式中：c0为弹簧钢的弹性波波速；l0为样品长度；εr为反射波的应变；A和A0分别为杆和样品的横截面积；E为弹簧钢的弹性模量；εt为透射波的应变；t为脉宽；τ为时间常数。在这项工作中，压缩应力和应变均设置为正值。为了确保数据的有效性，对每个应变率进行3次重复实验。

2 结果与讨论

2.1 样品扭转

IPF 图和KAM 图分别显示了样品扭转90°，180°和360°后的晶粒尺寸与局部取向差（图4）。由图4（a-1），（b-1）可知，当扭转角度达到90°时，晶粒尺寸并没有明显变化，但是KAM 图的颜色由蓝色向黄绿色转变；当扭转角度达到180°时（图4（a-2），（b-2）），小晶粒开始增多，KAM 图的颜色逐渐转变为以黄色为主；当扭转角度达到360°时（图4（a-3），（b-3）），小晶粒继续增加，KAM 图中的黄色区域进一步扩大，并且在局部位置开始出现红色斑点。

图4 6061Al-T651 合金样品扭转90°（1），180°（2）和360°（3）的EBSD 表征（a）反极图；（b）KAM 图Fig.4 EBSD characterization of 6061-T651 aluminum alloy samples with the torsion angles of 90°（1），180°（2） and 360°（3）（a）IPF map；（b）KAM map

为了进一步分析扭转角度对晶粒尺寸和KAM 值的影响，对图2 和图4 中的晶粒尺寸分布与局部取向差分布进行统计，结果如图5 所示。原始样品中小于10 μm 的晶粒数量相对较少，仅为57.3%，对应的局部取向差主要分布在0°和1°之间，平均值为0.68°。由图5 红色曲线可知，当扭转角度为90°时，晶粒尺寸分布显示没有明显变化，但是局部取向差分布图显示最大占比的KAM 值由原来的0.3 变成0.5，且占比由33%转变为22%，平均局部取向差转变为0.89°。可以认为，在这种情况下，扭转产生的塑性变形不足以细化晶粒。随着扭转角度的进一步增加（180°），晶粒开始细化（8.9 μm），相应的平均局部取向差为1.21°。换言之，塑性变形形成的位错开始转变为晶界。当扭转一整圈（360°）时，平均晶粒尺寸为7.0 μm，样品中直径约为1 μm 的晶粒显著增加，大约为未扭转样品的两倍。扭转360°样品对应的平均局部取向差为1.52°，为所有样品中的最大值。KAM 统计图（图5（b））表明随着扭转角度的增加，峰值比例逐渐降低，且向右移动。半峰宽也随着扭转角度的增加而增大，未扭转样品和扭转360°后样品的差异达到了最大［23］。总的来说，KAM 值在增大的同时，晶粒尺寸确实先保持不变，后出现减小。这是因为随着扭转的开始，位错开始滑移，这时的KAM 值已经开始增大。随着扭转角度的增加，位错运动受阻且开始位错增殖，KAM 值持续增加，小角度晶界（low-angle grain boundaries，LAGBs）出现，并逐渐转变为大角度晶界（high-angle grain boundaries，HAGBs），最终引起晶粒细化。根据图2和图4 中的KAM 图，可以得到几何必需位错（geometrically necessary dislocation，GND）密度的演变规律，具体计算公式为［24-25］：

图5 扭转后样品的晶粒尺寸分布（a）与KAM 值（b）统计Fig.5 Statistics of grain size distribution（a） and KAM value（b） of the sample after torsion

式中：u为步长；b为柏氏矢量；Δθi表示局部取向差，描述如下：

式中：θi是点i处的局部定向误差；θj是其相邻点j的取向差。

令B=2u/b，由于u=1 μm，则B值为一个常数，Δθi为上述所提到的局部取向差的平均值，由此可得原样和扭转90°，180°和360°后样品的位错密度值分别为0.68B，0.89B，1.21B和1.52B。不难发现，扭转角度与位错的滑移和增殖密切相关。原始样品中，局部取向差为1°的占比最大，随着扭转度数的增加，位错越来越多，逐渐出现LAGBs，随后转变为HAGBs。晶界取向差分布（图5（b））在整个扭转过程中变得越来越均匀，其他文献也报道了类似的发现［24］。因此可以得出，随着扭转角度的增加，塑性变形导致位错密度增加。当扭转角度超过90°后，大量的位错将转变为以晶界的形式存在，从而显示出小晶粒尺寸，以期提高材料的力学性能［25］。

2.2 准静态压缩与动态压缩

通过准静态压缩实验和动态压缩实验结果，可以获得6061Al-T651 铝合金在准静态和动态载荷下的应力-应变曲线。准静态压缩实验在0.001 s-1和0.01 s-1的应变率下进行，动态压缩实验应变率设定为1100，1200，2000，2200，2800，3000，3500，3800 s-1。以下将分别探讨扭转角度对铝合金改性前后动静态压缩性能的影响和应变率对铝合金改性前后压缩性能的影响。

2.2.1 扭转角度的影响

图6（a）为6061Al-T651 铝合金在准静态压缩下的应力-应变曲线。可以看出，在0.001 s-1的应变率下，扭转改性后合金样品的屈服强度均高于原始样品，而且随着扭转角度的增大，合金的屈服强度也随之增大。在扭转360°时屈服强度增加最为显著，达到了404 MPa，增长了11%。类似地，在动态压缩下，随着扭转角度的增加，样品的屈服强度也呈上升趋势，当扭转角度为360°时，达到最大值440 MPa，增长了8%。这是因为随着扭转的进行，材料内部的位错开始滑移和增殖，扭转角度越大表明位错密度越大。同时，当扭转角度达到180°时会出现大量小晶粒（图4（a-2），（a-3））。这些位错密度的增加和小晶粒的出现都会阻碍位错进一步滑移，在宏观上表现为需要更大的应力才能使材料发生屈服［26］。也就是说，无论是在准静态加载下还是在动态加载下，扭转冷作硬化提高了6061Al-T651 铝合金的屈服强度。

图6 动静态压缩应力-应变曲线与应变率效应曲线（a）准静态压缩应力-应变曲线；（b）动态压缩应力-应变曲线；（c）原始样品应变率效应曲线；（d）扭转360°样品应变率效应曲线Fig.6 Dynamic and quasi-static compression stress-strain curves and strain rate effect curves（a）quasi-static compression stress-strain curves；（b）dynamic compression stress-strain curves；（c）strain rate effect curves of original sample；（d）strain rate effect curves of torsion 360° sample

为了更深入地研究扭转角度对6061Al-T651 铝合金力学性能的影响，分别读取了图6（a），（b）中准静态压缩和动态压缩应力-应变曲线的屈服点，获得屈服强度随扭转角度大小的变化关系图（图7（a））。在图7（a）中，黑色线表示准静态压缩下不同扭转角度对应的屈服强度，红色线表示动态压缩下不同扭转角度对应的屈服强度。不难发现，在实验范围内，扭转角度相同时，动态压缩下的屈服强度高于准静态压缩下的屈服强度。例如，原始样品在准静态压缩下的屈服强度为366 MPa，而在动态压缩下的屈服强度为408 MPa。可以认为在高应变率下，位错滑移响应时间缩短，位错增殖速率显著提高，但是位错重排和湮灭的速率却很低，所以最终会导致高密度位错缠结，从而增加6061Al-T651 铝合金的屈服强度［27-28］。

图7 不同扭转角度下（a）和不同应变率下（b）的屈服强度Fig.7 Yield strength at different torsion angles（a） and strain rates（b）

2.2.2 应变率的影响

图6（c）为原始材料在不同应变率（1200，2200，2800，3500 s-1）加载下的应力-应变曲线。图6（d）为扭转360°样品的动态压缩应力-应变曲线，其应变率分别为1100，2000，3000，3800 s-1。可以看出，在样品发生卸载前，随着应变率的增加，6061Al-T651 铝合金的屈服强度增大，流动应力也随之增加。6061Al-T651铝合金是否经过扭转改性，都显示出了明显的应变率敏感性。此外，在动态加载下，6061Al-T651 铝合金卸载时对应的应变也随应变率的增大而向右移动，这与文献中的研究结果一致［29］。

为了进一步了解6061Al-T651 铝合金的应变率效应，分别读取了图6（c），（d）中应力-应变曲线的屈服点，绘制了屈服强度随应变率的变化规律曲线（图7（b））。可以更加直观地看出，随着应变率的增加，屈服强度先是缓慢增加，然后急剧上升。即在准静态加载下，铝合金随应变率的变化并不显著，但是在动态加载下，却显示出了较大的敏感性。究其主要原因是位错的滑移与增殖。在准静态变形时，位错滑移有足够的时间进行，但是对于高应变率加载，相同应变条件下的位错密度明显比准静态加载时要大，材料屈服强度也明显升高［27，30］。此外，可以发现对于扭转360°后的样品，其屈服强度普遍高于未扭转样品，这与材料内部的微结构密切相关。当扭转角度达到360°时，材料内部含有大量位错和小晶粒，无论是在准静态还是动态加载下，位错的滑移都比原始样品中要困难，这就导致需要更高的应力才能促使材料发生进一步变形。另外，在应变率不超过大约1000 s-1的情况下，原始样品对应的斜率要比扭转360°样品要大，即原始样品的应变率敏感性更大。这可能是因为原始样品中的位错相对较少，从而在加载过程中位错滑移的阻力相对较小，因此在加载过程中有更大的应变率硬化空间。而扭转360°的样品，在内部本身就具有较大的位错密度和较多的小晶粒，这种经过改性处理的样品在加载过程中的应变率硬化效应会明显降低。当应变率超过1000 s-1时，两者的差异并不明显。

2.3 本构模型构建

基于实验结果，构建了Cowper-Symonds（C-S）本构模型［31］，它是一种目前实际工程中应用较为广泛的本构模型。它同时考虑了应变硬化和应变率效应，描述了应变率及塑性硬化过程对动态屈服强度的影响，适用于塑性破坏和高应变率材料的碰撞损伤问题［32-33］。因实验全程在室温下完成，无须考虑温度影响。C-S 本构模型公式如下［34-35］：

式中：[σ0+EPεP］表示材料的加工硬化效应；σ为流动应力；σ0为准静态屈服强度；εP为等效塑性应变；EP为塑性硬化模量其中E为弹性模量，Et为切向模量；β（0≤β≤1）用来反映材料的各向同性硬化、随动硬化和混合硬化（无论β在0～1 之间取何值，都存在表示材料的应变率效应，该部分的拟合公式为［31，36］：

式中：为当ε̇远低于C时的屈服强度；σy为屈服强度；ε̇为应变率；C和P为应变率相关的常量。

基于现有的实验数据，利用公式（7）进行拟合，拟合结果如图8 所示。参数C和P可以通过拟合得到，扭转角度为0°时，C=496749 s-1，P=2.4；扭转角度为360°时，C=143993 s-1，P=1.7。

图8 应变率效应拟合结果Fig.8 Fitting results of strain rate effect

图8 中的虚线和点画线表示应变率效应拟合结果，可以看出，扭转0°的样品在准静态压缩下的屈服点与拟合曲线之间稍有偏离，而扭转360°的样品，在不同应变率下，其屈服点基本都在拟合曲线上分布。由此可判断扭转360°的样品应变率效应更好。

扭转0°的样品，其准静态（0.001 s-1）下的屈服强度利用应变率为1200 s-1的应力-应变曲线进行拟合，拟合结果如图9（a）中的红色虚线所示，由此得到参数β=0.15。可得未扭转样品的C-S 本构模型为：

图9 扭转0°（a）和360°（b）样品本构模型拟合结果Fig.9 Fitting results of constitutive model for 0°（a） and 360°（b） torsional samples

扭转360°的样品，其准静态（0.001 s-1）下的屈服强度利用应变率为1100 s-1的应力-应变曲线进行拟合，拟合结果如图9（b）中的红色虚线所示，由此得到参数β=0.75。可得扭转360°样品的C-S 本构模型为：

针对未扭转和扭转360°两种条件，本工作分别验证了模型在低应变率下和高应变率下与实际曲线的吻合情况。对于未扭转样品，本工作选取了2200 s-1和0.01 s-1两种应变率进行验证，结果如图9（a）中曲线所示；对于扭转360°的样品，本工作选取了2000 s-1和0.01 s-1两种应变率进行验证，结果如图9（b）中曲线所示。从图中不难发现，在高应变率下，两者的拟合曲线与实际曲线较为吻合；而在0.01 s-1的低应变率下，扭转360°的样品仍然较为吻合，扭转0°样品的拟合曲线则要明显低于实际曲线，偏差较大。