7050鋁合金拉扭破壞的力學及聲發射特征試驗

濮婧婧， 李順才， Слатин Вадим Иосифович， 吳春力

(1.江蘇師范大學 江蘇圣理工學院，江蘇徐州221116;2.圣彼得堡彼得大帝理工大學先進制造技術學院，圣彼得堡195251)

0 引言

鋁合金是常見的工程材料，在工程實際中往往承受拉伸壓縮、剪切擠壓、扭轉、彎曲等基本變形及組合變形的作用，且不同的組合變形作用下構件的破壞形式及聲發射現象也互不相同。朱孝謙等［1-2］研究7075鋁合金、6061鋁合金、5A06鋁合金單軸拉伸時的聲發射行為。徐修全［3］針對脹緊式夾具加持的可靠性能和多物理場測試的功能要求對力學性能原位測試儀進行優化、修正和建模，對6061鋁進行拉伸試驗來驗證公式的正確性。劉波等［4-5］對2A12鋁合金和多晶鋁進行雙軸拉扭復合加載實驗，并結合數值分析，校準鋁合金的延性破壞模型。冉廣等［6］用掃描電鏡對鋁合金試件斷口的微觀形貌進行觀察，得到了鋁合金的疲勞壽命規律。劉莉［7］研究了加載比例對5A06鋁合金變形行為的影響。朱浩等［8］在萬能拉伸機上對6061鋁合金進行五種不同加載速率的拉伸剪切實驗，應用有限元軟件模擬研究其在剪力狀態下的斷裂行為和力學性能。賈江瀅等［9］研究6020鋁合金試件在四種不同加載速率下的拉伸力學性質。劉世民等［10］研究LY12鋁合金試件在五種加載路徑下的疲勞性能，并且用掃描電鏡觀察試樣的斷口，五種加載路徑下的斷口形貌不一樣。實驗得出試件在純扭轉時壽命最長。范宋杰等［11］對A356系列鋁合金進行金相掃描電鏡實驗和場發射掃描電鏡實驗，分析共晶硅相及氣孔的分布特征、形貌研究斷裂過程和機理。劉洲等［12］對ZL101鋁合金試樣進行室溫拉伸試驗，采用應力遞增、加載速度為1mm/min的加載方式，觀察斷口形貌、顯微組織和斷口截面的背散射電子像。Abubaker［13］通過Abaqus仿真軟件，分析7075鋁合金在拉伸載荷以及彎曲載荷下的力學響應。劉斌等［14］對經過兩種不同熱處理的2024鋁合金試件進行不同應力幅值以及不同加載路徑下的單軸拉壓疲勞試驗，研究不同加載狀態與疲勞壽命之間的關系。陳亞軍等［15］采用正弦波對稱加載法，研究不同的應力幅比對2A12鋁合金疲勞失效的影響規律。Scales等［16］研究鋁6061-T6管狀試樣在受到剪切和拉伸直至失效的過程。Mungole等［17］研究經高壓扭轉(HPT)處理鑄態鋁合金在不同拉伸應變率作用下的變形，通過原子顯微鏡直接測量晶體滑動對總應變的影響。Murashkin等［18］研究了1570鋁合金經高壓扭轉塑性變形時的組織性能與力學性能。

7050鋁合金常用于飛機結構件，用于制作中厚板擠壓件、自由鍛打件與模鍛件。但是鋁合金在拉伸-扭轉組合作用下，拉力及扭矩的載荷比例、拉伸扭轉加載速率對力學特征及聲發射特征規律的影響以及對破壞應力、破壞面的影響，目前未見詳細報道。本文設計了金屬拉伸-扭轉組合變形的力學及聲發射特征測試與分析系統，用以研究鋁合金拉伸-扭轉組合破壞的宏觀與微觀機理，進一步探索拉伸-扭轉加載速率、加載比例、加載路徑等因素對試件破壞應力、聲發射能量等物理量的影響。

1 試驗系統與試件

圖1為試驗中力學部分的實驗儀器結構示意圖。試驗設備為力爾牌DLNKJ-150-500型拉扭組合多功能試驗機。該試驗機的最大試驗力150 kN，最大扭距500 N·m。扭轉速度調節范圍0～5 r/min，扭轉角度分辨值為 0.018°。

聲發射設備是DS2-8B系列全信息聲發射信號分析儀。它的優點是波形采集完整、參數提取完整、定位功能精確、視窗設計靈活和同組數據靈活，設置不同的門限和HDT時間，能夠得到的不同結果和多種相關圖風格。放大器選取的是增益可調放大器，有20/40/60dB可供調節。傳感器型號為RS-2A，在頻率50～400 kHz都能使用，適宜的溫度范圍較大。聲發射的相關配件為鉛筆鉛芯耦合劑、傳感器接觸面轉換器、信號線和外參轉接線。

試驗中標準拉扭試件的標距100 mm、標準直徑10 mm，如圖2所示。

圖1 利爾力學試驗機結構示意圖

圖2 鋁合金試件

2 試驗方案

選取4個鋁合金標準試件，分別編號為L1、L2、L3、L4。量取其標距L0和直徑d0，做好試件實驗前相關尺寸的記錄，將拉伸及扭轉速率比設置為3∶4，軸向位移加載速率v及扭轉角位移加載速率γ如表1所示。

表1 鋁試件的尺寸和加載速率方案

3 主要試驗步驟

(1)安裝試件。將聲發射傳感器1、傳感器5分別粘貼固定在試件標距左端點起20 mm和80 mm處，如圖3所示。然后將試件裝入拉伸扭轉組合專用夾頭內擰緊固定螺絲完成安裝，如圖4所示。

圖3 聲發射傳感器的固定

圖4 固定在夾頭內的試件

(2)加載并采集信號。啟動微機，啟動程序“力爾試驗系統”，在軟件操作界面選定試驗類型，完成參數設置，點“啟動”進行校零。完成校零后，按照設計方案設置加載速率。力爾試驗系統具有數據實時采集功能，能夠對于試驗數據進行實時存儲，試驗過程中同步采集拉力、扭矩、軸向變形及扭轉角。

同時，在另一臺電腦上啟動聲發射信號分析軟件。啟動后進行參數設置，檢測各通道背景噪聲強度，設置門檻值。采集過程中，對聲發射事件自動計數、儲存，并實時監測試驗過程中的聲發射現象。

(3)觀察并量取破壞后試件的相關尺寸。試件斷裂后將其從夾頭中取出，觀察試件斷口形狀，并將斷裂后的試件重新拼接在一起，測量計算延伸率。

(4)提取特征值，分析計算。提取所采集的力學信號、聲發射信號的特征值并進行后續的分析計算。

4 拉扭組合變形理論破壞應力

試件在拉力F及力偶M作用下產生拉伸扭轉組合變形，如圖5所示。應力值最大的危險點在試件表面，構件表面A點的單元體應力分布如圖6所示。根據應力分析，圖6中σy=0。

圖5 桿件拉伸組合變形

不同金屬材料的拉扭破壞一般表現為脆性斷裂或塑性剪切屈服。基于平面應力狀態理論得到經過A點的各斜截面上的最大正應力(主應力)σ1及最大剪應力τmax。主應力計算公式:

圖6 單元體應力分析

式中:σx=Fm/A0;材料脆性斷裂時，τxy=Tm/WT，材料塑性屈服時其中Fm，Tm分別為拉扭試驗

加載破壞過程中的最大軸力及最大扭矩。

主應力方向與橫截面夾角的計算公式

最大剪應力的計算公式

最大剪應力所在面與橫截面的夾角α1滿足:

5 試驗結果及分析

5.1 不同加載速率下試件的載荷-變形曲線

鋁合金材料的軸力-軸向位移曲線如圖7所示，扭矩-扭轉角曲線如圖8所示。

圖7 不同加載速率下鋁合金試件的軸力-位移曲線

圖8 不同加載速率下鋁合金試件的扭矩-扭轉角曲線

由圖7和8可知鋁合金表現為與碳鋼類似的塑性屈服特征。試驗結束后各試件的力學性能參數如表2所示。將表2中最大軸力F、最大扭矩T代入式(3)和(4)，得到鋁合金的破壞應力τmax及其破壞面方向α1，如表3所示。拉扭破壞面方向角的實測值如表4所示。

表2 鋁試件的力學參數

表3 試件鋁在不同速率下的破壞應力及其破壞方向

表4 試件拉扭破壞面方向的實測值

拉扭破壞后的試件破壞面如圖9所示，圖10顯示的是計算拉扭破壞斷面方向角度的示意圖。

圖9 拉扭破壞后的試件

圖10 計算斷面示意圖

比較表3和表4，計算結果與測量值非常接近，表明，拉扭組合作用下鋁合金的破壞是由最大切應力引起的。隨著加載速率的減小，試件拉扭破壞面的方向角逐漸增大。

5.2 聲發射特征試驗結果與分析

將試驗過程中接收到的聲發射傳感器信號經由前置放大器以及濾波器傳入分析軟件。采取參數分析法分析聲發射信號的特征參數如幅度、撞擊數及能量等。

聲發射幅度用UAE表示，聲發射能量用E表示，分別繪制出鋁合金4個試件聲發射幅度變化及能量變化的曲線，如圖11和12所示。

圖11 試件聲發射幅度-時間變化曲線

圖12 試件聲發射能量-時間變化曲線

統計不同試件聲發射參數平均振鈴計數、平均幅度值AE，繪制相應的特征參數隨加載速率的變化曲線如圖13所示。

圖13 不同加載速率下的聲發射平均參數

綜合圖11～13可知:①鋁合金試件的聲發射能量釋放形式表現為孤震型，在斷裂時有一個明顯的聲發射峰值，具有一定塑性的材料在斷裂時釋放的能量最多。②不同加載速率的試件斷裂時間不同，加載速率越小，斷裂所需時間越長。③試件3(軸向速率1.2 mm/min)的聲發射能量及平均振鈴計數最高，其時間曲線出現了多次峰值，試件2(軸向速率1.5 mm/min)的聲發射特征參數最小。④隨著加載速率的增加，平均聲發射幅度值增加，而平均振鈴計數呈現先急劇增加后迅速下降的趨勢。

以編號L1的鋁合金試件為例，畫出軸力與撞擊數的關系圖，如圖14所示。由圖14可知，試件的彈性階段為0～250 s，在彈性變形階段，撞擊數波動小，該階段材料只產生少量的聲發射信號。在塑性變形階段，撞擊數波動明顯，該階段大量聲發射信號產生。因此，撞擊數波動情況可以反映試件在拉伸過程中的狀態變化，區分彈性變形和塑性變形階段。

圖14 L1試件軸力與撞擊數隨加載時長的關系圖

6 結語

通過鋁合金在不同加載速率下的拉扭試驗，得到其在相應速率下的載荷-變形曲線。基于試驗數據計算了破壞應力及破壞面方向，并實測了破壞面與橫截面夾角。試驗表明:①鋁合金表現為與碳鋼類似的塑性屈服特征。②鋁試件裂紋的擴展速度較慢，從受力至斷裂歷經的時間長。③不同加載速率下裂紋擴展時間不同，加載速率越小，裂紋擴展所需時間越長。④鋁合金試件的聲發射幅度曲線明顯，分布密集。隨著加載速率的增加，平均聲發射幅度值增加。