車用鋁合金的變形及斷裂行為研究.pdf

1、汽車輕量化是節(jié)能、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。鋁合金因其較小的密度、良好的塑性、以及較高的比強(qiáng)度已成為汽車制造業(yè)的重要輕質(zhì)材料。交通工具一個(gè)重要的性能指標(biāo)就是耐撞擊性。在撞擊的過程中，構(gòu)件上的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變率各點(diǎn)均不相同，而且在撞擊的過程中各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變率還隨著時(shí)間的變化而變化。用有限元分析方法模擬鋁合金碰撞是研究鋁合金構(gòu)件耐撞擊性的重要方法，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行空間框架結(jié)構(gòu)的變形、吸能和失效模式的研究可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用

2、。但是這些有限元分析軟件在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很多問題，有時(shí)其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異。究其原因不是有限元軟件本身的問題，而是在有限元建模時(shí)缺乏準(zhǔn)確的描述材料變形行為的本構(gòu)關(guān)系以及描述材料失效和斷裂的損傷模型。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)研究以及各種力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，分析6061鋁合金材料在不同應(yīng)力狀態(tài)及不同應(yīng)變率下微觀結(jié)構(gòu)損傷演化破壞規(guī)律，為建立可以描述6061鋁合金變形行為的本構(gòu)關(guān)系和正確的有限元模型奠定了基礎(chǔ)。本文主要研究以下幾個(gè)方面：

3、 一、通過對(duì)多種鋁合金的對(duì)比分析，確定6061鋁合金能夠通過優(yōu)化工藝達(dá)到車用型材所要求的尺寸偏差、力學(xué)性能、耐蝕性能和外觀質(zhì)量的要求，而且價(jià)格合理，。所以最終確定我們的研究對(duì)象為6061鋁合金。 二、為實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)了不同的缺口拉伸試樣。通過對(duì)不同缺口試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，研究了6061鋁合金在不同應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)性能和斷裂行為。結(jié)果表明：隨著缺口半徑增大，三軸應(yīng)力度是降低的。隨著三軸應(yīng)力度的降低，材料的峰值載荷降低

4、，斷面收縮率和斷裂應(yīng)變均增大；顯微斷口上的韌窩越來越均勻細(xì)小，剪切唇區(qū)面積逐漸增大；放射區(qū)的山脊?fàn)畹匿忼X數(shù)量逐漸減少，但深度增加。 三、設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)力狀態(tài)的缺口試樣，在SEM-520掃描電鏡下進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了6061鋁合金試樣的斷裂過程。研究結(jié)果表明：不同應(yīng)力狀態(tài)下的鋁合金試樣在拉伸過程中其表面均產(chǎn)生了大量的滑移帶，但斷裂機(jī)理不同。隨著三軸應(yīng)力度的降低，從韌窩聚合型和韌窩聚合混合剪切斷裂機(jī)制向純剪切斷裂機(jī)制過渡，試

5、樣的微觀斷口也表現(xiàn)出由韌窩斷裂模式向剪切斷裂模式的演變；6061鋁合金晶界是其最薄弱環(huán)節(jié)，微裂紋形核于晶界，隨載荷的增加，微裂紋長大和擴(kuò)展。微裂紋之間的擴(kuò)展或剪切連接導(dǎo)致試樣斷裂；試樣最小截面上的三軸應(yīng)力度越小，試樣斷口上韌窩的取向就越明顯，斷口越光滑。 四、通過不同應(yīng)變率的平板拉伸試驗(yàn)，研究了6061鋁合金材料在不同應(yīng)變率下的變形和斷裂行為。結(jié)果表明：隨著應(yīng)變率的增大，鋁合金的屈服強(qiáng)度略有增大，斷裂應(yīng)變，斷裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本

6、不變。在相當(dāng)高的應(yīng)變率的范圍內(nèi)，材料的應(yīng)變率敏感性才顯現(xiàn)出來：隨著應(yīng)變率的增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，斷裂應(yīng)變均增大。當(dāng)應(yīng)變率到達(dá)一定的臨界值時(shí)，材料中出現(xiàn)了反向應(yīng)變率弱化效應(yīng)。隨著應(yīng)變率的增大，斷口上的韌窩越來越具有明顯的方向性。同時(shí)斷口上剪切平面所占的比例也越來越多，即隨著應(yīng)變率的增加，材料的剪切斷裂機(jī)制的趨勢(shì)增加。 五、利用常見的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，配合示波沖擊儀，將試樣固定在自行設(shè)計(jì)的夾具裝置上，進(jìn)行不同速度的沖擊拉伸拉

7、斷試驗(yàn)和拉伸卸載試驗(yàn)；通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)斷口和卸載試樣進(jìn)行觀察分析，研究6061鋁合金材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)行為。試驗(yàn)結(jié)果表明：6061鋁合金受沖擊載荷時(shí)的斷裂行為與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸相比無明顯變化，損傷形式仍是由晶界處的微孔洞連接形成微裂紋。宏觀上仍產(chǎn)生明顯頸縮，試樣的斷裂面與拉伸軸方向大約成45°角。擺錘高度不同，試樣表面的變形帶不同。擺錘高度為141°，出現(xiàn)了“白色變形帶”，白的變形帶并不是相變的結(jié)果，而是當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到一定臨界