應變速率對6082鋁合金拉伸性能及斷口形貌的影響

董劉穎，李秋梅，馬龍飛，劉兆偉，周 龍，何冬陽

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金具有密度低、強度高、塑性好、耐腐蝕和良好的導電性、導熱性、成形性等特點[1-3]。隨著輕量化發(fā)展的需求，鋁合金越來越多的應用于汽車、軌道車輛、航空、航天、機械制造、船舶及化學工業(yè)等領域，尤其在汽車行業(yè)，替代鋼用作汽車零部件，是實現(xiàn)輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[4]。

在鋁合金結(jié)構(gòu)碰撞和快速成型過程中，材料將發(fā)生高速變形。不同的變形速率將導致材料的強度、伸長率等力學性能發(fā)生改變，而高速拉伸試驗是了解材料特性和變形速率相關性的基本方法之一。許多工程材料在變形甚至塑性失效的過程中，表現(xiàn)出與應變速率正相關的特征，即隨著加載應變速率的提高，材料的屈服強度與失效(斷裂)應變也提高[5]。已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁合金屬于低應變速率敏感性材料[6-7]。在室溫下，當應變速率超過1000 s-1時，鋁及鋁合金表現(xiàn)出逐漸增加的應變速率敏感性[8]。

為研究鋁合金材料1000 s-1及以下的應變速率敏感性，本文對6082鋁合金進行高速拉伸試驗與斷口分析，為正確評價不同應變速率對鋁合金材料拉伸性能的影響提供參考。

1 試驗方法

本試驗材料選用2.7 mm厚的6082合金擠壓型材，狀態(tài)為T6，其化學成分見表1。應變速率設計為4個等級，分別為 1000、500、100、0.008 s-1，每個速率取4個高速拉伸試樣，選取接近平均值的一組數(shù)據(jù)進行應力應變處理，利用掃描電鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌。

表1 試驗材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同應變速率下的應力-應變曲線

合金試樣在不同應變速率下的抗拉強度、屈服強度、斷后延伸率和彈性模量，見圖1。從圖中可以看出，當應變速率等于或低于0.008 s-1時，合金屬于靜載荷拉伸，強度最低，斷后延伸率最高。隨著應變速率的提升，合金強度降低，斷后延伸率減小。而合金彈性模量在不同應變速率下均無明顯變化。

圖2為合金試樣在不同應變速率下的應力-應變曲線。可以看出，試樣在100、500和1000 s-1較高應變速率下，隨應變速率增加，流動應力增加幅度較明顯，表現(xiàn)出正應變效應。這主要因為隨著應變速率增加，位錯增殖速率加快并塞積，位錯運動阻力增加，導致加工硬化，流動應力增加，從而降低了合金塑性。試樣應變速率為0.008 s-1時，隨著拉伸過程的推進，峰值強度接近100 s-1，且塑性與其相當，這說明應變速率在100 s-1以下，應變率敏感性將減弱。圖中還可看出，應變速率對彈性階段的影響較小，這歸因于彈性變形的速率要遠大于應變速率，使應變速率變化對其影響較小。相對而言，塑性變形階段需一定的時間經(jīng)歷位錯增殖與運動，對不同材料，克服阻力的時間不同，因而應變速率變化對合金應力影響較為明顯。

(a)屈服強度、抗拉強度；(b)斷后延伸率、彈性模量

(a)工程應變-工程應力；(b)真應變-真應力

2.2 斷口形貌

圖3為不同應變速率下試樣斷口組織形貌，從圖中可知，在靜載荷、低應變速率0.008 s-1下，以韌性斷裂為主，合金中位錯密度較大，分布相對均勻，塑性較高，與拉伸試驗結(jié)果一致，且斷口附近具有明顯的頸縮現(xiàn)象。在應變速率為100 s-1時，合金斷口出現(xiàn)明顯的解理面，位錯臺階出現(xiàn)，韌窩變小，以脆性斷裂為主，合金的伸長率下降，這可能是隨著拉伸過程試樣截面積的減小，應變速率相應的疊加，微觀形貌會發(fā)生韌窩-準解理-解理的轉(zhuǎn)變[9]。而隨著應變速率增加，合金斷口中位錯密度下降，以裂紋相連形成的位錯臺階更為明顯，韌窩數(shù)量變少且尺寸也變小，應變速率1000 s-1時最為明顯，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。

(a)0.008 s-1；(b)0.008 s-1；(c)100 s-1；(d)100 s-1；(e)500 s-1；(f)500 s-1；(g)1000 s-1；(h)1000 s-1

3 討論

據(jù)有關研究發(fā)現(xiàn)，金屬應變率效應是因為位錯變形時位錯密度隨應變量的加大，使流動應力增加，而位錯密度的降低和位錯的重新排列，又降低了流動應力，即加工硬化和動態(tài)軟化相互作用[10]。合金在準靜態(tài)或較低應變速率下是一個等溫過程，而在高應變率下，是一個絕熱升溫過程。材料的屈服應力還受溫度的影響，高溫使材料的屈服應力下降，在高應變率和高溫相互耦合作用下，鋁合金構(gòu)成了復雜的應變率現(xiàn)象[11]。由此可知，當應變速率達到一定值時，可能會出現(xiàn)合金強度和塑性同時增加的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)6082-T6鋁合金應變速率在0.008～1000 s-1區(qū)間時，隨著應變速率的增加，合金流動應力增大，塑性減小。

2)應變速率影響合金的斷口形貌，高應變速率下的斷口位錯臺階形貌明顯，數(shù)量多,韌窩少而小，以脆性斷裂為主；靜載荷低應變速率斷口韌窩較深，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。