兩種結構用鋁合金循環加載試驗研究

郭小農　鄒家敏　劉林林　高舒羽

摘要：鋁合金材料的滯回性能是研究鋁合金結構抗震性能的基礎.針對國產6082T6和7020T6鋁合金，采用等幅升幅、等幅交替和循環拉伸3種不同的加載制度進行循環加載試驗，最大應變控制在±4%.試驗采用標距與直徑比為1.5的小標距試件防止其在循環加載時發生受壓失穩.小標距試件和標準試件的單調拉伸結果對比表明，在4%的應變范圍內，小標距試件和標準試件的試驗結果相差很小，因此采用小標距試件進行循環加載試驗是可行的.通過循環加載試驗獲得了鋁合金材料的應力應變關系及滯回特性.試驗結果顯示，鋁合金材料有良好的滯回性能和延性，加載方式對其骨架曲線有一定影響.

關鍵詞：鋁合金；循環加載試驗；滯回性能

中圖分類號：TU512.4文獻標志碼：A

Cyclic Loading Tests of Two Types

of Structural Aluminum Alloy

GUO Xiaonong， ZOU Jiamin， LIU Linlin， GAO Shuyu

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai200092， China）

Abstract：The hysteretic behavior of aluminum alloy is fundamental for studying the seismic behavior of aluminum alloy structures. A total of three different loading protocols， including cyclic ascending， cyclic alternating and cyclic tensile， with the maximum strain amplitude up to ±4%， were adopted for the 6082T6 and 7020T6. In order to avoid buckling， the small gauge specimen with lengthtodiameter ratio of 1.5 was adopted. The comparison of monotonous tensile results between the small gauge specimen and standard specimen revealed that the error of the two specimens was very small， which indicated the feasibility of the adoption of the small gauge specimens. The stressstrain relationship and hysteretic behavior of aluminum alloy were also obtained by cyclic loading test. The obtained results show that the aluminum alloy has good hysteretic behavior and ductility， and the load protocol influences its skeleton curve to a certain extent.

Key words：aluminum alloy； cyclic loading test； hysteretic behavior

由于鋁合金結構具有自重輕、耐腐蝕和易加工等諸多優點，在國內外應用十分廣泛[1-2].隨著鋁合金結構應用日益增多，許多學者對鋁合金結構的靜力承載性能進行了深入研究[3-6]；同時，諸多學者對鋁合金結構的抗震性能也開展了研究，2016年，同濟大學郭小農等[7]對鋁合金板式節點網殼的阻尼特性進行了試驗研究，并建議其阻尼比可取為3%.

6082T6鋁合金是我國近年來研發的新型合金牌號，其強度比6061T6略高而延伸率略低，主要用于鋁合金結構構件；7020T6鋁合金的強度更高，通常用于鋁合金結構的連接螺栓以及節點板.在強震作用下，鋁合金構件和節點均會經歷較大的循環塑性變形，可能因為過大的塑性變形而斷裂，從而引發整個結構的破壞.為了深入研究鋁合金結構在強震作用下的延性和耗能能力，首先需要研究鋁合金材料的滯回性能.

目前，國外對鋁合金本構關系進入了深入的研究[8]，并提出了諸多本構關系模型.如Ramberg和Osgood[9]于1939年提出的三參數RambergOsgood模型；Baehre于1966年提出的貝爾模型[10]；Mazzolani在其著作《鋁合金結構》中提出的馬佐拉尼模型[10].而在國內，同濟大學郭小農等[11]完成了45個國產結構鋁合金拉伸試驗，試驗結果表明國產結構用鋁合金6061T6的本構關系可以采用RambergOsgood模型表達，其指數n可以根據Steinhardt建議確定.

相對于單調拉伸本構關系的研究，國內外對于鋁合金材料滯回性能的研究還不夠成熟.1995年，Hopperstad等[12]對AA6060T4、AA6060T6鋁合金進行了單軸滯回性能的試驗和數值研究，試驗應變幅最大為1.2%，結果表明兩種材料的滯回曲線都比較飽滿，且表現出一定的包辛格效應，其中T4試件表現出明顯的循環硬化，而T6則表現出不明顯的循環軟化特性.2012年，意大利Matteis等[13]對ENAW1050AH24鋁合金（一種經過熱處理后性能接近于純鋁的材料）進行了擬靜力試驗，試驗結果表明材料具有良好的循環受力特性，滯回環穩定飽滿，相同位移下拉壓應力幅值基本一致，等向硬化現象明顯.2013年，波蘭Dusicka等[14]采用熱處理鋁合金6061T6511進行了單調拉伸和循環加載試驗，試驗結果表明滯回曲線由初期線彈性直線段、平滑非線性過渡段和塑性發展段構成，且卸載剛度與初始剛度基本相同.總體來說，目前歐洲學者對鋁合金材料滯回性能有一定研究，但材料的牌號有限；而國內對于鋁合金滯回性能的研究則基本空白.

基于此，本文以6082T6和7020T6兩種牌號的鋁合金作為研究對象，在3種循環加載制度下進行滯回性能試驗，研究鋁合金材料在循環荷載下的滯回性能.

1試驗概況

1.1試件設計

試驗針對6082T6和7020T6兩種牌號的鋁合金材料，進行-4%～+4%應變幅的循環加載.

試驗中鋁合金材料的力學性能由單調拉伸試驗確定.單調拉伸標準試件根據國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[15]設計，具體尺寸如圖1（a）所示.其中，標距段長度為65 mm，直徑為10 mm，標距與直徑之比為5.0，夾持端直徑為20 mm.

為避免在循環加載試驗過程中發生受壓失穩現象，循環加載試件采用了較小標距.本文根據國家標準GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》[16]設計了小標距循環加載試件，如圖1（b）所示.其中，標距段長度為15 mm，直徑為10 mm，標距與直徑之比為1.5，夾持端直徑為20 mm.

每種牌號的鋁合金材料分別設計3根單調拉伸試驗標準試件、1根單調拉伸試驗小標距試件和3根對應著3種不同循環加載制度的小標距循環加載試件.試件編號如表1所示.

1.2加載制度

本試驗在上海交通大學力學實驗中心疲勞和斷裂聯合實驗室MTSLandmark （100 kN） 試驗機上進行，試驗裝置見圖2.在試驗過程中，小標距試件采用標距為10 mm的引伸計采集變形.

循環加載的加載制度通過計算機編程實現，計算機通過名義應變控制整個加載過程，試驗程序符合國家標準GB/T 15248-2008.具體加載制度見表2及圖3.循環加載加載制度均采用三角波，加載應變速率為0.000 5/s.在加載制度完成后，取下引伸計，將軸向力卸載至零，然后拉斷.

2試驗結果及分析

2.1單調拉伸試驗結果

為了驗證小標距試件結果的合理有效性，首先完成了小標距試件的單調拉伸試驗，并將其結果與標準試件拉伸試驗結果進行了對比.單調拉伸試驗加載方式根據國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的規定進行.當應力小于名義屈服強度時，單調試驗的加載速率為0.1 mm/min；應力達到名義屈服強度后再以0.5 mm/min的加載速率將試件拉斷.

圖4為標準試件和小標距試件單調拉伸試驗后的破壞形態對比，表3為兩類試件單調試驗結果對比.AL6小標距試件與標準試件破壞形態大致相同，在斷口附近有明顯的頸縮，斷口截面成杯口形狀；而AL7小標距試件斷口附近頸縮不明顯，斷口截面接近于平面.從表3可以看出，標準試件單調拉伸得到的名義屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率均符合國家標準GB/T228.1-2010要求；小標距試件單調拉伸試驗的名義屈服強度和抗拉強度與標準試件相差較小，但因其標距只有15 mm，頸縮段所占比例遠大于標準試件，故斷后伸長率遠大于標準試件.圖5為兩類試件的名義應力應變曲線對比，從圖中可以看出在名義應變εnom<0.040時，標準試件和小標距試件的曲線基本重合，這說明小標距試件在±4%應變范圍內進行循環加載是可行的.

2.2真實應力應變曲線和名義應力應變曲線

對比

眾所周知，當應變較大時，真實應力應變曲線和名義應力應變曲線之間會出現較大差異.為了衡量應變范圍±4%以內名義應力應變關系的準確性，本節將單調拉伸得到的名義應力應變曲線和真實應力應變曲線進行了對比.真實應力應變的轉換公式如式（1）、式（2）所示，其中σ和ε分別為真實應力和真實應變，σnom和εnom分別為名義應力和名義應變.

ε=ln 1+εnom（1）

σ=σnom1+εnom（2）

圖6列出了AL6和AL7小標距試件的真實應力應變曲線和名義應力應變曲線；表4給出了真實應力和名義應力的數值對比.從圖6可知，當εnom=0.040時，真實應力應變曲線和名義應力應變曲線已經有明顯的分叉，越到后期分叉越大.從表4可以看出，當名義應變εnom=0.040時，對應的名義應力和真實應力最大差別為4.18%；當名義應變εnom=0.050時，對應的名義應力和真實應力最大差別為5.25%；而真實抗拉強度和名義抗拉強度的最大差別則達到了11.1%.由此可見，當εnom>0.050時，宜采用真實曲線代替名義曲線.后文循環加載試驗的名義應變均不超過5%，采用名義應力應變的偏差較小，故對試驗數據的分析討論均可直接采用名義應力應變數值.

2.3循環加載試驗結果

各循環加載試件的破壞形態如圖7所示，各試件編號標注于圖中.其中，AL6a試件為受壓失穩破壞，其余試件均為拉斷，斷口呈金屬光澤.AL7c、AL6c這兩根循環拉伸試件，試驗現象與單調拉伸試驗類似，有明顯的頸縮段，斷口呈杯口狀；AL7a、AL7b試件在試驗過程中沒有明顯的頸縮現象，斷口較單調拉伸試件更為平整；AL6b試件發生與單調拉伸試驗相似的頸縮現象，表現為塑性斷裂模式.

表5給出了循環加載試件的實測直徑和斷后伸長率，其中AL6a由于受壓失穩，無法測量其斷后伸長率.由表5可以看出，除循環拉伸外，等幅升幅、等幅交替這兩種加載制度下的斷后伸長率均小于單調拉伸試驗（表2）.其原因是在循環拉伸的加載制度下，積累了較大的拉伸塑性變形，從而降低了斷后延伸率；同時也揭示了拉壓循環的累積塑性應變對于鋁合金材料損傷的影響.另外還可以發現AL7試件的斷后伸長率小于AL6構件，說明AL7鋁合金材料的塑性弱于AL6鋁合金材料，這也佐證了AL7小標距試件破壞的斷口更加平整以及頸縮段不明顯的現象.

圖8為6根試件在循環加載制度下的名義應力應變滯回曲線.從圖8可以看出鋁合金材料的滯回曲線比較飽滿，滯回性能較好.隨著應變的增加，應力也不斷上升，試件發生循環硬化；當應變增加到一定程度后，硬化現象不再明顯.表6給出了試件AL6a在每個循環應變達到設定值時所對應的應力值.從表6和圖8可以看出，在同一應變幅下的各圈滯回曲線并不完全重合，表現出一定的應力強化現象.各級循環的卸載彈性模量大致相同，這說明循環塑性損傷對于鋁合金材料滯回性能影響不大.另外從圖8還可以看出，等幅升幅試件在第1圈循環中，其拉伸時的屈服點大于反向壓縮卸載時的屈服點，表現出一定的包辛格效應.

2.4單調拉伸曲線與循環骨架曲線比較

圖11分別為AL6和AL7兩類小標距試件的單調拉伸曲線和各循環加載制度下第一象限骨架曲線的對比.從圖11可以看出，循環拉伸試件的骨架

曲線與單調拉伸試件的試驗曲線基本重合，這說明循環拉伸對鋁合金材料的本構影響不大；而等幅升幅和等幅交替試件的骨架曲線在彈性段和單調拉伸試件曲線基本重合，在塑性段均高于單調拉伸曲線，這說明在循環加載中，試件出現了應力強化現象.從圖11還可以看到，在曲線的轉折點處，各骨架曲線和單調拉伸曲線具有一定差異，骨架曲線提前進入屈服段，而單調拉伸曲線的彈性段則更長.

3結論

本文完成了國產6082T6和7020T6鋁合金的循環加載試驗，通過試驗可以得出以下結論：

1）通過單調拉伸試驗證明小標距試件和標準試件的實測應力應變曲線在5%應變范圍內差別很小，因而采用小標距試件進行循環加載試驗是可行的，且使用小標距試件可避免試件在循環拉壓試驗中受壓失穩.

2）對比了單調拉伸試驗得到的名義應力應變曲線和真實應力應變曲線，結果表明在名義應變小于0.05時，真實應力和名義應力之間的最大差別為5.25%，因此，當應變小于0.05時，可以采用名義應力應變關系分析試件的滯回性能.

3）循環加載會降低試件的斷后伸長率；在等幅交替和等幅循環加載方式下，試件延伸率下降最為嚴重；而在循環拉伸加載方式下，試件延伸率下降較小.

4）循環拉伸加載方式下，試件的骨架曲線基本和單調拉伸試驗曲線重合；而在等幅交替和等幅循環加載方式下，試件的骨架曲線在塑性段明顯高于單調拉伸試驗曲線.

5）試驗結果表明6082T6和7020T6這兩種牌號的鋁合金材料具有一定的耗能能力和延性，且7020T6鋁合金的耗能能力和延性弱于6082T6鋁合金.

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