加載路徑對5A06鋁合金力學性能和微觀組織的影響

劉莉，姜建堂，賀瓊瑤，趙運強，甄良

加載路徑對5A06鋁合金力學性能和微觀組織的影響

劉莉1，姜建堂2，賀瓊瑤3，趙運強1，甄良2

（1.廣東省科學院中烏焊接研究所，廣州 510651；2.哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001；3.西南技術工程研究所，重慶 400039）

通過力學性能測試和微觀組織表征等手段研究預加載方向和雙向加載對5A06鋁合金組織性能的影響。分別沿軋制方向（RD）和垂直于軋制方向（TD）施加預變形，然后沿RD進行拉伸試驗，對比研究預加載方向對合金力學性能的影響。通過雙向拉伸試驗研究合金在雙向加載時力學性能的變化情況；采用透射電鏡觀察預加載和雙向加載條件下典型試樣內的位錯組態，分析加載路徑對位錯組態的影響。預加載使5A06鋁合金的屈服強度提高，伸長率下降。與RD預加載相比，TD預加載對屈服強度和伸長率的影響更小，TD預加載試樣的抗拉強度更高。不同預加載方向下試樣的位錯組態不同：預加載與二次加載方向一致會使位錯沿單一方向塞積；預加載與二次加載方向垂直時會出現平行位錯列交錯纏結現象。雙向加載時，不同加載比例下合金的應力–應變關系不同，加載比例越接近等比例雙向拉伸情況，加工硬化系數越大，在等比例雙軸拉伸時達到最大。在應力狀態從單拉狀態變化到等雙拉狀態的過程中，不同階段屈服點間隔不同，在等比例雙軸拉伸時達到最大，在單向拉伸時最小。對于不同加載比例的試樣，其位錯密度隨中心區應變量的增大而增大。預加載方向會顯著影響5A06鋁合金的力學性能和位錯組態。不同比例的雙向加載會影響5A06鋁合金的應力–應變關系。

5A06鋁合金；預加載；雙向拉伸；力學性能；微觀組織

輕量化能夠有效減少污染并降低碳排放量，是實現我國雙碳戰略的重要手段之一。鋁合金因具有較高的比強度和比模量、較好的耐腐蝕性、良好的成形性能等優點被視為輕量化的首選材料[1-2]。其中，5A06鋁合金是Al–Mg系防銹鋁合金，屬于形變強化鋁合金，具有較高的強度和耐蝕性，被廣泛應用于汽車、船舶及航空航天構件[2-4]。

材料在加工制備及服役過程中會承受不同方向的外力，并在相應方向產生一定的塑性應變，該應變會影響構件的服役性能，尤其會對構件的屈服抗力、疲勞性能等產生一定影響[5-6]。鋁合金具有較低的成形極限，其構件的制造通常需要多步成形，初始成形工藝會對構件的后續成形和服役性能產生顯著影響[7-8]。因此，研究預變形對鋁合金后續加載力學性能和微觀組織的影響尤為重要。以往的研究主要集中在軸向預加載對試樣力學性能的影響[9-11]，而關于預加載方向對后續加載力學性能影響的研究相對較少，相應的微觀組織演變機制也尚不清楚。文獻[12-13]指出，加載方向會對材料內部位錯的運動和塞積等產生影響，因此急需研究預加載方向對5A06鋁合金力學性能和微觀組織的影響。在實際生產過程中，鋁合金薄板或薄殼結構多是雙向或多向受力構件。單向拉伸試驗獲得的應力–應變以及組織性能關系不能反映材料在雙向和多向受力狀態下的變形行為[14-16]。雙向拉伸可提供一種介于單向加載和多向加載之間的過渡狀態，是研究材料在復雜加載條件下組織性能演變的基礎。因此，文中主要通過不同方向預加載和雙向拉伸試驗研究加載路徑對5A06鋁合金力學性能和微觀組織的影響規律及機理，為鋁合金構件成形工藝設計和服役性能預測提供理論基礎，以期指導鋁合金構件的工業生產。

1 試驗

試驗采用2 mm厚的5A06鋁合金薄板，其實際成分如表1所示。試驗研究了軋制方向（RD）和垂直于軋制方向（TD）預加載對后續加載過程中5A06鋁合金力學性能的影響。其中，RD預加載試樣為單向拉伸試樣，試樣尺寸如圖1所示。TD預加載通過寬板拉伸實現。寬板拉伸取樣示意圖如圖2所示，試樣尺寸為130 mm×60 mm×2 mm，標距為80 mm，加載速度為1 mm/min。沿RD預加載后再沿RD拉伸的試樣記為RD–RD，沿TD預加載后再沿RD拉伸的試樣記為TD–RD。采用Zwick/Roell電子萬能試驗機進行拉伸試驗，對相同狀態樣品重復測試3次，結果取平均值。雙向拉伸試驗采用十字形試樣，試樣尺寸如圖3所示。為了保證試樣中心區受力均勻，采用激光加工技術在十字臂上加工出寬度為0.2 mm、長度為82 mm的窄縫。在試驗過程中，通過控制雙臂的加載比例和加載速率來實現不同條件下的雙向拉伸試驗。試樣中心區應變的測量區域為50 mm×50 mm。在變形過程中，由夾持在試樣2個方向的引伸計測量中心區的應變，引伸計的標距為50 mm。試驗時，拉伸速率為6 mm/min。沿RD和TD施加載荷的比例分別為4︰0、4︰1、4︰2、4︰3、4︰4、3︰4、2︰4、1︰4，其中4︰0相當于沿RD單向拉伸，4︰4相當于在2個方向等載荷拉伸，也稱為等雙拉，其余加載比例介于兩者之間。

采用JEOL 2100型透射電子顯微鏡對不同加載路徑下典型試樣的位錯組態進行觀察，加速電壓為200 kV。首先利用線切割機在試樣上切取尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm的薄片，試樣經酒精冷卻后用320#水砂紙粗磨至100mm左右，再分別用400#、600#、800#金相砂紙細磨至60～80 μm，隨后沖壓成直徑為3 mm的圓片，然后用電解雙噴減薄儀減薄。電解液為體積分數30%的硝酸和70%甲醇的混合溶液，電壓為12～15 V，電流為75～100 mA，電解液溫度約為?28 ℃。

表1 5A06鋁合金的化學成分

Tab.1 Chemical composition of 5A06 aluminum alloy wt.%

圖1 單向拉伸試樣尺寸圖（mm）

圖2 寬板拉伸試樣上的取樣位置示意圖

圖3 雙向拉伸試樣尺寸圖

2 結果與分析

2.1 預加載方向對力學性能的影響

圖4為預加載方向和預變形量對5A06鋁合金二次加載時合金力學性能的影響。如圖4a所示，RD和TD預加載均可提升合金的屈服強度，且RD預加載試樣的屈服強度提升幅度更為顯著，TD–RD和RD– RD試樣的屈服強度均隨預變形量的增加而增加。屈服強度的提升與加工硬化密切相關，預加載試樣中的位錯易在溶質原子和第二相附近塞積，因此二次加載時需要更大的應力才可以驅動位錯滑動、產生加工硬化效果，導致材料的屈服強度升高。同時，隨著預變形量的增加，位錯塞積現象越加明顯，屈服強度也隨之增加。圖4b為合金抗拉強度隨預變形量變化的曲線。可知，預加載方向和預變形量對抗拉強度的影響較小，TD–RD試樣的抗拉強度略高于RD–RD試樣的。圖4c是伸長率隨預變形量變化的曲線。可知，預加載導致合金伸長率降低，但TD–RD試樣的伸長率下降幅度小于RD–RD試樣的。上述結果表明，通過合理設計材料在多步成形過程中的加載方向，可顯著增強材料的塑性成形能力，進而提升成形質量。同時，材料的抗拉強度也略有提高，這有利于提升材料的后續服役性能。

2.2 不同方向預加載對微觀組織的影響

圖6是在RD–RD和TD–RD這2種加載方式下試樣的透射電鏡照片。可知，2種試樣的位錯密度均明顯高于僅預加載試樣的。RD–RD試樣內位錯相互纏結，多處可見明顯的位錯胞狀結構，這主要與高密度位錯間的相互堆積有關[17]。而在TD–RD試樣中未見明顯的位錯胞狀組織，取而代之的是細而密的“線條”狀位錯相互堆積，且有多組相互平行的位錯列交錯纏結的位錯網。圖7為2種加載方式下試樣位錯組態的放大圖。可知，RD–RD試樣中位錯線基本沿同一方向分布，在局部區域可觀察到平行的位錯列；而在TD–RD試樣中則觀察到了明顯的位錯交錯纏結現象，形成2個方向近似垂直的平行位錯列交錯形成的位錯網格，這與2次加載的方向相互垂直有關。由此可見，當加載方向不同時，會出現明顯的位錯纏結和交叉滑移的現象。

圖5 5A06鋁合金沿RD和TD預加載試樣的透射電鏡照片

材料的力學性能與位錯幾何形態、位錯間的相互作用、位錯和溶質原子間的相互作用等密切相關[17]。一方面，外力作用使晶體內部位錯發生運動，導致材料發生宏觀塑性變形[18-19]；另一方面，位錯間的作用力也會影響位錯的運動[20-22]。因此，外力的加載方向以及材料內部位錯間的相互作用力均會影響材料的變形行為和力學性能。如前所述，預加載方向會顯著影響合金的力學性能，這與材料內部位錯在不同加載下的運動方式有關。對于預加載試樣，位錯受外力的作用會在晶界、夾雜相和第二相等位置處塞積[9,23]。當二次加載方向與預加載方向相同時，位錯塞積導致需要更大的外力才能使位錯運動，因此材料的屈服強度提升。當二次加載方向與預加載方向垂直時，二次加載方向上無位錯塞積的影響，而在與之垂直的方向上存在位錯塞積，因而位錯呈現交錯塞積形貌，此時位錯運動所需的應力比無預加載試樣位錯運動所需的應力更大，但比預加載和二次加載方向相同的試樣位錯運動所需的應力小，因此試樣的屈服強度提升，但提升幅度小于預加載與二次加載方向相同的試樣的。材料的抗拉強度與位錯密度密切相關。TD–RD試樣的高抗拉強度來源于材料內部的高位錯密度。當預加載方向和二次加載方向不同時，在各個方向上均有位錯塞積，進而導致應力集中并誘發位錯增殖[24]，位錯塞積的范圍越廣，位錯增殖的可能性越大，導致試樣內位錯密度顯著增大。同時，RD預加載試樣的位錯塞積會導致更為集中的局部應力，使材料提前失效斷裂；TD預加載試樣的位錯塞積程度和應力集中程度相對較小，材料的伸長率更高。

圖6 5A06鋁合金沿不同方向預加載后軸向單拉至斷裂試樣的透射電鏡照片

圖7 不同方向預加載后軸向單拉至斷裂試樣內位錯組態的放大圖

2.3 雙向加載力學性能與微觀組織

圖8為不同加載比例雙向拉伸下5A06鋁合金RD和TD的應力–應變曲線。可以看出，在臂上開縫的十字形雙拉試驗方案下，5A06鋁合金試樣在中心區的變形量不大。在所有加載路徑下的應力–應變曲線中，單方向上最大的等效塑性應變約7%。RD和TD的應力–應變曲線的變化規律均為加載比例越接近等比例雙向拉伸狀態，材料的強化效應越大，在等比例雙向拉伸時達到最大。

圖8 5A06鋁合金雙向拉伸時RD和TD的應力–應變曲線

將不同加載路徑下的應力–應變曲線等效為單向拉伸曲線，根據塑性變形功相等的原則，得到與單向拉伸時的塑性變形功相等的雙向拉伸的塑性變形功，以確定不同塑性變形階段雙向拉伸區域的試驗屈服點[25]。計算公式如式（1）所示。

式中：表示塑性變形功；0表示單向拉伸的最大應變；表示單向拉伸時的應力；RD和TD分別為RD和TD方向的拉伸應力；RD和TD分別表示RD和TD方向的拉伸應變。

結合式（1）并通過進一步計算確定試驗屈服點。板材的屈服軌跡對實際成形過程中成形工藝的設計具有指導作用。

5A06鋁合金板材等效塑性應變分別為0.2%、1%、2%、3%時雙拉區的試驗屈服軌跡如圖9所示。其中1為RD的屈服應力，2為TD的屈服應力。可知，5A06鋁合金板材在不同階段的試驗屈服軌跡形狀為外凸形，在應力狀態由單向拉伸狀態到等雙拉狀態的變化過程中，不同變形階段屈服點的間隔不同，在等雙拉時間隔達到最大，在單向拉伸時間隔最小。隨著變形量的增加，屈服軌跡逐漸向外擴大，單向拉伸時強化程度最小，等雙拉時強化程度最大。由此可知，在等雙拉變形條件下，材料在更大的等效應變條件下才能發生屈服，這有利于板材成形。另外，以等雙拉為界的上下兩部分屈服軌跡不對稱，相同應變條件下RD的屈服應力大于TD的屈服應力，這主要是由板材面內各向異性引起的。

圖9 5A06鋁合金板材常溫下的試驗屈服軌跡

簡化的等效應變公式如式（2）所示。

式中：e為等效應變；1為主應變；2為次應變。采用式（2）對不同加載比例下材料中心區的等效應變進行計算，得到近似等效應變如表2所示。可以看出，不同加載比例試樣的等效應變差別較大，單向拉伸時的等效應變最大，雙向拉伸時材料的變形量小于單向拉伸試樣時的材料變形量，當加載比例接近等雙拉狀態時，等效應變略有降低，但是差別不大。

表2 5A06鋁合金雙向拉伸不同加載比例試樣中心區等效應變

Tab.2 Equivalent strains in the central area of 5A06 aluminum alloy under different loading ratios during biaxial tension

在不同加載比例的雙向拉伸過程中，5A06鋁合金的屈服應力、中心區的等效應變均不同。在文中的變形方式下，5A06鋁合金塑性變形的差異主要是由位錯運動引起的。對雙向拉伸典型試樣中心變形區進行透射電鏡觀察，加載比例為4︰3的雙拉試樣的中心區透射電鏡照片如圖10所示。可以看到，試樣中有明顯的位錯纏結交錯的現象，這和預加載與二次加載方向不同的試樣相似。

圖10 5A06鋁合金加載比例為4︰3的雙向拉伸試樣的透射電鏡照片

3 結論

1）當采用RD和TD預加載時，隨預變形量的增加，5A06鋁合金均呈屈服強度上升、伸長率下降、抗拉強度變化不大的趨勢。TD–RD加載試樣屈服強度上升的幅度小于RD–RD加載試樣的，其伸長率下降的幅度也較小。TD–RD加載試樣的抗拉強度略高于RD–RD加載試樣的。

2）隨著預變形量的增加，5A06鋁合金內位錯密度增加，位錯纏結、塞積的現象更顯著。預加載方向對5A06鋁合金內位錯組態有顯著影響。當預加載方向與二次加載方向相同時，位錯主要沿一個方向塞積，在試樣中能觀察到相互平行的位錯列。當預加載方向與二次加載方向垂直時，在試樣中能觀察到平行的位錯列交錯纏結的現象。

3）當采用雙向拉伸時，不同加載路徑下5A06鋁合金的應力–應變關系不同。隨著加載比例接近等比例雙向加載狀態，材料加工硬化效果增強，等比例雙向加載時的強化效果最佳。5A06鋁合金在不同變形階段的試驗屈服軌跡是外凸的，屈服軌跡隨變形程度的增加而向外擴大。在應力狀態從單向拉伸狀態到等比例雙軸拉伸狀態的變化過程中，不同階段屈服應力間隔不同，在等比例雙軸拉伸時屈服應力達到最大，在單向拉伸時屈服應力最小。對于雙向拉伸試樣，雙向加載時試樣內的位錯交錯纏結，這與預加載方向和二次加載方向垂直的試樣相似。

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Effects of Loading Paths on Mechanical Properties and Microstructure of 5A06 Aluminum Alloy

LIU Li1, JIANG Jian-tang2, HE Qiong-yao3, ZHAO Yun-qiang1, ZHEN Liang2

(1. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510651, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3. Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

The work aims to study the effect of pre-loading direction and biaxial loading on the properties of 5A06 aluminum alloy through mechanics performance testing and microstructure characterization. The specimen was pre-deformed in the axial direction (rolling direction, RD) and the transverse direction (TD), and then stretched along RD to compare the effects of pre-loading direction on the mechanical properties of the alloy. The mechanical property change of the alloy under biaxial loading were studied by biaxial tensile test. The through transmission electron microscope (TEM) was used to observe the dislocation configuration in typical specimen under pre-loading and biaxial loading and analyze the effects of loading path on dislocation configuration. Results showed that pre-loading improved the yield strength of 5A06 aluminum alloy and decreased its elongation. Compared with pre-loading in RD, pre-loading in TD had less effects on the yield strength and elongation. The tensile strength of specimen with pre-loading in TD was slightly higher than that of pre-loading in RD. Specimen under different pre-loading directions had different dislocation configuration. When the pre-loading direction was the same as the subsequent loading direction, the dislocations mainly packed along one direction, while for the specimen which had different pre- and subsequent loading directions, the intertwined dislocation entanglement were observed in the specimen. The stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy under different loading paths was different. As the loading ratio approached to equal, the work hardening coefficient increased, and it was the highest when the loading was equal in two directions. As the stress state changed from single tension to equal double tension, the interval of yield point was different at different stages, the equal tension state showed the largest, and the single tension state showed the smallest. For specimen with different loading ratios, the dislocation density increased with the increase of strain in the central region. These results indicate that the pre-loading paths can significantly affect the mechanical properties and the dislocation configuration of 5A06 aluminum alloy. The results of this study can provide a theoretical basis for the forming process design and performance prediction of aluminum alloy components. Biaxial loading of different proportions will affect the stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy.

5A06 aluminum alloy; pre-loading; biaxial tension; mechanical property; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.003

TG146.2

A

1674-6457(2022)08-0020-08

2022–05–23

廣東省基礎與應用基礎研究基金（2021A1515110062）；廣州市基礎與應用基礎研究基金（202201011373）；廣東省科協青年科技人才培育計劃（SKXRC202201）；國家重點研發計劃（2020YFE0205300）

劉莉（1989—），女，博士，工程師，主要研究方向為鋁合金塑性變形行為和焊接性能。

姜建堂（1978—），男，博士，教授，主要研究方向為輕金屬材料的組織性能及變形斷裂行為。

責任編輯：蔣紅晨