鋁合金壓縮狀態(tài)下近似屈服強(qiáng)度的測定方法

閆 明，董陽華，王一焱

(常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇常州 213025)

屈服強(qiáng)度是金屬材料抵抗外力防止發(fā)生微量塑性變形的應(yīng)力，也是最直觀表現(xiàn)金屬材料承載能力的重要指標(biāo)，因此準(zhǔn)確的計算和測量金屬材料的屈服強(qiáng)度是力學(xué)性能檢驗的基礎(chǔ)工作[1]。一般來講，金屬材料在拉伸狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下所表現(xiàn)出的性能存在一定差異，在產(chǎn)品設(shè)計階段需全面分析產(chǎn)品實際工況下的受力狀態(tài)，從而選擇合適的力學(xué)參數(shù)作為選材依據(jù)。選材時，金屬材料最重要的力學(xué)性能參數(shù)是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，若實際工況下主承壓應(yīng)力的產(chǎn)品仍以此法選材則存在一定的盲目性和安全隱患，因此，明確不同狀態(tài)下材料的屈服強(qiáng)度，加深對金屬材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行研究是十分必要的[2]。本文將以3A21 鋁合金作為研究對象，探究3A21 鋁合金材料在壓縮狀態(tài)下近似屈服強(qiáng)度的測定方法。

1 常規(guī)屈服強(qiáng)度的測定方法

1.1 明顯屈服材料

明顯屈服是指材料在承受的應(yīng)力大于一定數(shù)值后，雖應(yīng)力不再增加，但材料仍然發(fā)生變形的現(xiàn)象。通常來講在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服平臺，屈服強(qiáng)度一般通過拉伸試驗的“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線來計算，在屈服階段，應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服力，應(yīng)力保持不變時的力稱為屈服力，不計瞬時效應(yīng)的屈服階段最小應(yīng)力稱為下屈服力，與試樣截面積的比值即為上屈服強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度[3]。

1.2 無明顯屈服材料

一些金屬材料由于其內(nèi)部塑性變形存在非同時性，導(dǎo)致材料在受力時觀測不到明顯的屈服現(xiàn)象，這類材料稱為無明顯屈服材料。這類材料的屈服強(qiáng)度的傳統(tǒng)測定方法為通過拉伸試驗獲得“力-延伸”曲線，通過作輔助線與曲線的相交的截點(diǎn)確定所求規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的應(yīng)力（產(chǎn)生0.2%殘余變形時的應(yīng)力），與試樣截面積的比值即為非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2。GB/T228-2010 金屬材料室溫拉伸試驗方法中詳細(xì)要求了滯后環(huán)法、逼近法、平行線法等作圖方法，試驗人員可自行判斷曲線形狀選擇最合適的方法來確定屈服強(qiáng)度[4]。高端萬能材料試驗機(jī)也可通過引伸計傳導(dǎo)形變數(shù)據(jù)至計算機(jī)自動計算Rp0.2，相比于畫圖法既提高了工作效率也提高了準(zhǔn)確性。

1.3 微觀計算模型

除以上通過拉伸試驗來測定屈服強(qiáng)度的一般方法外，對于鋁合金時效強(qiáng)化前后組織變化與力學(xué)性能的研究，人們?yōu)樘剿鞫咧g的關(guān)系，建立了不同的強(qiáng)度計算模型，力學(xué)性能的差異性在微觀上主要表現(xiàn)在微觀組織種類、大小和數(shù)量的區(qū)別，因此在計算模型上，自變量主要為材料內(nèi)部組織尺寸、剪切模量、合金濃度等參數(shù)[5-10]。該方法主要目的在于研究材料內(nèi)部微觀變化與力學(xué)性能之間關(guān)系，由于其計算和試驗過程復(fù)雜，一般不用于成熟產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測。

2 壓縮態(tài)下近似屈服強(qiáng)度的測定方法

2.1 試樣制備

壓縮試樣材料選用3A21 鋁合金，屬于鋁-錳二元合金，無法通過熱處理強(qiáng)化，只能通過冷加工方法提高力學(xué)性能，除此之外還具有較好的耐蝕性、塑性、焊接性，是一種綜合性能較好的中等強(qiáng)度鋁合金[11-12]。3A21 鋁合金材料無明顯屈服現(xiàn)象，拉伸試驗下通過測量其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力計算其屈服強(qiáng)度Rp0.2。材料成分通過布魯克Q4TASMAN 火花直讀光譜儀檢測，化學(xué)成分如表1 所示。

表1 3A21 鋁合金的化學(xué)成分 ωB/%

由于試驗方法與常規(guī)壓縮試驗不同，因此試樣也無法完全按照GB/T 7314-2005 金屬材料室溫壓縮試驗方法中要求制備，但受壓區(qū)尺寸與試樣形位公差仍按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，試樣尺寸如圖1 所示。

圖1 壓縮試樣

為保證每次對試樣施加應(yīng)力的面積相同，將試驗壓頭制成如圖2 所示尺寸，壓頭材料Cr12，硬度60HRC。

2.2 試驗方法

圖2 壓頭

由于3A21 鋁合金材料在受壓應(yīng)力狀態(tài)下無明顯屈服現(xiàn)象，難以通過壓縮曲線直接獲得屈服強(qiáng)度，本試驗方法為通過對比壓縮試驗前后試樣表面平面度的變化來確定使材料發(fā)生永久塑性變形時所受最小應(yīng)力，壓縮試驗前使用Croma8126橋式測量機(jī)記錄所有試樣待壓表面平面度，采點(diǎn)位置如圖3、4 所示，設(shè)備誤差0.001mm。

圖3 壓縮前采點(diǎn)

圖4 壓縮后采點(diǎn)

使用CTM9100 萬能材料試驗機(jī)完成壓縮試驗，室溫20℃，設(shè)定橫梁位移速度1mm/min（壓縮試驗下實際位移速度小于1mm/min），達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力時，橫梁停止，保壓30s 后停止試驗，每塊試樣只進(jìn)行一次壓縮試驗，試驗后再次測量試樣表面平面度，記錄平面度的變化量，根據(jù)平面度變化情況調(diào)整應(yīng)力大小，直至測出平面度發(fā)生明顯變化時所承受的應(yīng)力值。

2.3 試驗結(jié)果與分析

試驗機(jī)在試驗過程中存在過沖現(xiàn)象，即設(shè)備達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力后無法立即停止并保持該應(yīng)力狀態(tài)，實際情況為試驗機(jī)停止時最大應(yīng)力略大于預(yù)設(shè)應(yīng)力，且實際應(yīng)力會隨保壓時間逐漸降低，壓縮試驗結(jié)果如表2 所示。

圖5 壓縮試驗

表2 壓縮試驗結(jié)果

平面度變化與應(yīng)力大小之間的關(guān)系如表3 所示，試樣表面的平面度變化量隨應(yīng)力的增加而變大，當(dāng)試樣所受應(yīng)力小于73.84MPa 時，試樣表面平面度并未發(fā)生明顯變化，因此基本可以確定該3A21 鋁合金材料在壓縮狀態(tài)下的近似屈服強(qiáng)度為73.84MPa。

表3 平面度隨應(yīng)力變化情況

3 結(jié)束語

通過此方法可以較快地測定3A21 鋁合金受壓狀態(tài)下的近似屈服強(qiáng)度，對于主要承受壓應(yīng)力的產(chǎn)品，通過壓縮試驗?zāi)M實際工況，獲取材料表面發(fā)生微小變形時所需最小應(yīng)力值，相比于材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度，該方法測量出的結(jié)果更貼近于實際，較好的表現(xiàn)應(yīng)力與平面度之間的變化關(guān)系，同理，針對于其他無明顯屈服強(qiáng)度或?qū)嶋H工況下主承受壓應(yīng)力的材料，應(yīng)用此試驗方法可快速測量材料的近似屈服強(qiáng)度數(shù)值，為產(chǎn)品設(shè)計人員提供更加準(zhǔn)確的選材依據(jù)。