2A16鋁合金中應變率力學性能研究

惠旭龍, 白春玉, 葛宇靜, 舒 挽

(中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065)

2A16鋁合金中應變率力學性能研究

惠旭龍, 白春玉, 葛宇靜, 舒 挽

(中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065)

為研究2A16鋁合金的中應變率力學性能及熱處理狀態對其應變率敏感性的影響，利用電子萬能試驗機和高速液壓伺服試驗機對其(O狀態和T4狀態)進行常溫下準靜態和中應變率力學性能試驗，得到不同應變率下的應力應變曲線，并基于修正的Johnson-Cook 本構模型對其進行擬合。結果表明：在應變率10-4～102s-1內，熱處理狀態對2A16鋁合金的應變率敏感性有較大影響，其中2A16-O狀態鋁合金的應變率敏感性較強，而2A16-T4狀態鋁合金的應變率敏感性較弱，但兩種材料均具有較強的應變硬化效應；此外，修正Johnson-Cook 本構模型的擬合結果與試驗結果吻合很好，能夠很好表征材料的動態力學行為。

2A16鋁合金；熱處理狀態；中應變率；應變率效應；Johnson-Cook模型

由于具有比強度高和耐腐蝕能力強等優點，2A16等鋁合金材料在飛機結構中得到大量應用。而飛機在運行過程中可能會遭遇飛鳥、冰雹、跑道上碎片等各類離散源的沖擊，造成飛機結構的損傷和功能的損壞。為提高飛機的安全性并盡可能減輕飛機結構重量，需要對其進行抗沖擊性能設計，而設計出優異抗沖擊性能的前提是了解材料在不同應變率下的動態力學特性，獲得材料準確的動態本構關系。許多研究者發現鋁合金的應變率敏感性受到應變率范圍、溫度及熱處理狀態等因素的影響。謝燦軍等[1]發現7075-T6鋁合金在應變率500 s-1范圍內應變率敏感性不明顯，而當應變率超過1 000 s-1后出現了明顯的應變率強化效應；Masuda等[2]通過對過時效熱處理條件下的 AA6061鋁合金的測試也發現其應變率敏感性在應變率超過1 000 s-1后變得明顯起來；朱耀[3]通過對AA7055鋁合金在不同溫度及應變率下力學性能的實驗研究發現AA7055鋁合金在常溫下的應變率敏感性不明顯，而在高溫下表現出明顯的應變率敏感性，且應變率敏感性隨著溫度的升高而增強；李娜等[4]通過對2024-T351、7050-T7451和LY12-CZ三種鋁合金在溫度77～573 K的靜、動態壓縮以及拉伸力學性能的試驗研究，也發現隨溫度升高三種材料的應變率敏感性增強，并基于Johnson-Cook模型擬合了用以預測鋁合金材料塑性流動應力的模型參數；此外，Holt等[5-6]等研究發現隨著合金成分的增加及熱處理工藝影響，鋁合金的應變率敏感性會相應降低。

雖然國內外對鋁合金的應變率敏感性及其影響因素進行了大量的試驗研究，得到了許多重要的結論，但這些結論主要限于材料準靜態和高應變率范圍，而實際上大多數碰撞沖擊過程均屬于中等應變率變形范疇。因此，本文利用電子萬能試驗機和高速液壓伺服試驗機測試2A16鋁合金(O狀態和T4狀態)的準靜態和中應變率力學性能，分析其中應變率范圍內的應變率敏感性及熱處理狀態對材料應變率敏感性的影響，并基于試驗數據建立材料的動態本構關系。

1 動態力學性能試驗

1.1準靜態拉伸試驗

準靜態拉伸試驗平臺為INSTRON 8801電子萬能試驗機(見圖1所示)，試驗按照“金屬材料室溫拉伸試驗方法(GB/T 228—2002)”進行，拉伸載荷通過試驗機自帶的載荷傳感器測得，傳感器量程100 kN，拉伸應變通過接觸式引伸計測得，夾頭加載速度為2 mm/min，共進行3次重復性試驗。

圖1 INSTRON 8801電子萬能試驗機Fig.1 INSTRON 8801 quasi-static tensile test system

試驗得2A16鋁合金準靜態真實應力應變曲線如圖2所示，3次試驗結果具有很好的一致性。可看出經熱處理后材料的屈服強度明顯增強，而彈性模量略有減小(如表1所示)，兩種狀態下2A16鋁合金塑性段的應變強化效應均較強。

表1 材料的彈性模量及屈服強度Tab.1 Results for elasticity modulus and yield strength

1.2中應變率拉伸試驗

受限于作動缸的加載速度，常規拉伸試驗機無法實現中應變率范圍的試驗測試。為了達到中等應變率，最可行的方案是通過一定的方式蓄能，然后突然釋放能量，實現快速加載，如氣錘、落錘以及旋轉飛輪等。但這些裝置都具有在沖擊過程中速度逐漸變低，應變率不恒定的缺點。相較而言高速液壓伺服試驗機(如圖3所示)能夠實現橫速率加載，且加載過程穩定，是實現材料中應變率力學性能測試的一種有效手段。但也存在一些問題，主要是當應變率超過10 s-1時，加載系統的共振效應使得試件的動態載荷無法準確獲得[7]，體現為傳統的壓電傳感器測試結果出現劇烈振蕩，掩蓋了材料動態拉伸過程中真實的力學響應。而傳統的接觸式位移傳感器受到測量量程和測量方式的限制也無法實現對試件應變響應的測試。因此，為了獲得材料的中應變率力學性能，首先得解決試驗中載荷和應變數據的準確測試問題。

(a) O狀態

(b) T4狀態圖2 2A16鋁合金準靜態真實應力應變曲線Fig.2 True stress- strain curves under quasi-static state

圖3 高速液壓伺服試驗機Fig.3 INSTRON VHS 160 high velocity testing system

對于應變場的測試，可利用高速攝像機和非接觸測試系統(如圖4所示)測試高速拉伸過程中試件表面的應變場。其通過在試件的標距段噴涂散斑，利用高速攝像機實時采集目標區域變形的散斑圖像，結合非接觸分析軟件和相關算法計算試件的位移場，進而得到試件表面的應變場(如圖5所示)，經后處理分析得到動態拉伸應變據(如圖6所示)。

圖4 非接觸分析系統Fig.4 The DIC system

圖5 試件表面應變場Fig.5 Strain field of the specimen’s surface

圖6 動態拉伸應變結果Fig.6 Strain result of the dynamic tensile process

對于拉伸載荷的測量，在較低應變率下可通過試驗機自帶的壓電傳感器得到，當應變率高于10 s-1時，可在試件非標距段兩側的對等位置沿拉伸方向粘貼應變片，利用應變片間接測量試件的載荷數據，可提高載荷測試結果的準確性[8-9](如圖7所示)。

(a)(b)

得到2A16鋁合金兩種熱處理狀態下中低應變率范圍內的真實塑性應力應變曲線如圖8所示。可知熱處理狀態對2A16鋁合金的應變率敏感性有較大影響，其中2A16-O狀態鋁合金在應變率10-4～102s-1內應變率敏感性較強，隨著應變率的增加，材料的流動應力和動態屈服強度明顯增加，流動應力強化27%左右。而2A16-T4狀態鋁合金在應變率10-4～102s-1內的應變率敏感性較弱，隨著應變率的增加，材料的流動應力和動態屈服強度增加很小，流動應力僅強化6%左右。但兩種熱處理狀態下材料應變硬化效應均較強，隨著塑性應變的增加，材料的流動應力明顯提高。

(a) O狀態

(b) T4狀態圖8 2A16鋁合金中應變率真實塑性應力應變曲線Fig.8 True stress-strain curves under intermediate strain rate

為研究應變率和應變對材料流動應力的影響，取不同應變率下參考塑性應變為0.03、0.08和0.13時的流動應力進行分析，如圖9所示(準靜態下塑性應變0.13時的流動應力值為外插結果)。

對于2A16-O狀態鋁合金，其流動應力隨應變率的增加而明顯增大，表現出較強的應變率強化效應，三種應變下流動應力分別增大29.4%、26.7%和24.2%(用應變率0.000 4 s-1和450 s-1結果計算)；在同一應變率下，流動應力隨應變的增加而明顯增大，表現出較強的應變硬化效應，六種應變率下流動應力分別增大32.8%、33.0%、29.6%、26.1%、27.0%和27.6%(用應變0.03和0.12結果計算)。這表明在中低應變率范圍內2A16-O狀態鋁合金的流動應力與應變率和應變相耦合。

對于2A16-T4狀態鋁合金，其流動應力隨應變率的增加而緩慢增大，表現出較弱的應變率強化效應，三種應變下流動應力分別增大7.2%、6.4%和4.7%(用應變率0.000 4 s-1和350 s-1結果計算)；在同一應變率下，流動應力隨應變的增加而明顯增大，表現出較強的應變硬化效應，六種應變率下流動應力分別增大26.0%、25.6%、25.5%、25.3%、23.5%和21.8%(用應變0.03和0.12結果計算)。這表明在中低應變率范圍內2A16-T4狀態鋁合金的流動應力與應變率和應變相耦合，但受應變影響更大些。

(a) O狀態

(b) T4狀態圖9 不同參考應變下流動應力與應變率的關系Fig.9 Relation of flow stress and strain rate under different strain

2 修正Johnson-Cook本構關系擬合

Johnson-Cook 模型是 Johnson等[10]在 1983 年提出的，用于描述材料流動應力與應變、應變率及溫度之間的關系。其采用連乘的形式將應變效應、應變率效應和溫度效應綜合處理，具有形式簡單、物理意義明確的優點。具體形式為

(1)

2.1Johnson-Cook本構模型的修正

由圖9可知2A16鋁合金中低應變率范圍內的流動應力與對數應變率近似成指數關系。考慮到標準Johnson-Cook模型中將材料流動應力與對數應變率描述為線性形式，因此，需要對其應變率項進行修正。

針對Johnson-Cook模型的應變率相關項，Kang等[11-13]分別利用指數表達式和二次表達式替換了標準Johnson-Cook模型中應變率影響項的線性形式，如式(2)～式(4)所示，采用新的應變率影響項后方程對試驗結果的擬合效果更好。考慮到2A16鋁合金在中低應變率范圍內的應變率敏感特性，選擇式(2)作為其應變率影響項的修正形式。

(2)

(3)

(4)

2.2本構模型參數的確定

本文中試驗均在室溫下進行，故模型參數擬合時不考慮溫度項m，A、B、n、C和P是2A16鋁合金待定的五個材料參數。

2.2.1 確定A、B和n

選取室溫下參考應變率為4×10-4s-1的試驗數據擬合參數A、B、n，在室溫、參考應變率條件下式(1)簡化為

σ=A+Bεn

(5)

根據參考應變率下的應力-應變曲線結合Matlab軟件得到擬合結果如表2所示。

表2 參數A、B、n擬合結果Tab.2 Results for A、B and n

2.2.2 確定應變率敏感系數

利用室溫不同應變率下的應力-應變數據擬合參數C、P。室溫下修正Johnson-Cook本構模型可簡化為

(6)

式中：σ0為參考應變率下的屈服應力；σ為不同應變率下的屈服應力。

目前關于應變率敏感參數的擬合大多通過不同應變率下的屈服應力進行擬合得到，而2A16鋁合金的應變率強化效應受應變影響，故依次取塑性應變0.03、0.08、0.13時的流動應力與應變率關系(如圖9所示)進行分析，結果如表3所示，取其平均值作為材料的應變率敏感參數。最終可得修正Johnson-Cook模型擬合結果與試驗結果對比如圖10所示，可見方程擬合結果與試驗結果吻合很好，證明了本構模型參量的準確性。

表3 2A16鋁合金應變率敏感參數擬合結果Tab.3 Strain rate sensitive parameters

(a) O狀態

(b) T4狀態圖10 修正Johnson-Cook模型擬合結果與試驗結果對比Fig.10 Comparison between fit results of modified Johnson- Cook model and test results

3 結 論

本文通過試驗方法研究了中低應變率下2A16鋁合金(O狀態和T4狀態)的動態力學特性，分析了其應變率敏感特性與應變硬化特性，基于試驗結果擬合得到修正Johnson-Cook本構模型，并分析了熱處理狀態對中低應變率下材料應變率敏感特性的影響，主要結論如下：

(1) 試驗研究了中低應變率范圍內兩種2A16鋁合金的動態力學特性，得到其不同應變率下的應力應變曲線。

(2) 在應變率10-4～102s-1內，熱處理狀態對2A16鋁合金的應變率敏感性有較大影響，其中2A16-O狀態鋁合金的應變率敏感性較強，而2A16-T4狀態鋁合金的應變率敏感性較弱，此外，兩種熱處理狀態下材料均具有較強的應變硬化效應。

(3) 基于試驗結果擬合得到兩種材料的修正Johnson-Cook 本構模型，模型預測結果與試驗數據吻合很好，能夠很好表征材料的動態力學行為。

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Dynamicpropertiesof2A16aluminumalloyunderintermediatestrainrate

HUI Xulong, BAI Chunyu, GE Yujing, SHU Wan

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics, Aircraft Strength Research Institute of China, Xi’an 710065, China)

In order to study the dynamic properties of 2A16 aluminum alloy and the influence of heat treatment on its strain rate sensitivity property, tests on 2A16 aluminum alloy(heat-treated condition O and T4) under quasi-static and intermediate strain rate were performed by using an electronic universal testing machine and a high velocity hydraulic servo-testing machine at room temperature. The stress-strain curves under different strain rates were obtained, and a modified Johnson-Cook constitutive model was fitted. The results show that the heat-treated condition has a big influence on the strain rate sensitivity property of 2A16 aluminum alloy under the strain rate between 10-4～102s-1, and the strain rate hardening effect of 2A16-O aluminum alloy is obvious, but that of 2A16-T4 aluminum alloy is not so evident. In addition, the strain hardening effect is obvious for both of the materials under the strain rate between 10-4～102s-1. Moreover, the modified Johnson-Cook constitutive model can predict the test results very well.

2A16 aluminum alloy; heat-treated condition; intermediate strain rate; strain rate effect; Johnson-Cook constitutive model

O347.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.010

2016-04-18 修改稿收到日期：2016-07-21

惠旭龍 男，碩士，助理工程師，1989年12月生

白春玉 男，碩士，高級工程師，1984年6月生