不同應(yīng)力狀態(tài)下鋁合金變形及損傷機(jī)理的研究

2013-06-17  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

為了適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的要求,大量的鋁合金成為交通工具的主要用材。交通工具的一個(gè)重要性能指標(biāo)就是耐撞擊性。鋁合金汽車(chē)構(gòu)件在撞擊過(guò)程中,構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)各點(diǎn)均不相同,而且在撞擊過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)還隨著時(shí)間變化而變化。因此,為了研究汽車(chē)鋁合金構(gòu)件在不同應(yīng)力狀態(tài)下變形及損傷機(jī)理,利用改裝的Arcan夾具,在蝶形試樣上進(jìn)行0°,30°, 45°,60°, 90°的拉伸及拉伸卸載試驗(yàn)。大量研究表明:鋁合金存在著兩種宏觀斷裂模式:韌窩斷裂模式與剪切斷裂模式。從細(xì)觀上來(lái)說(shuō),材料的韌窩斷裂由空穴形核、擴(kuò)張和匯合造成;剪切斷裂的細(xì)觀機(jī)理則是材料內(nèi)的細(xì)觀剪切面的開(kāi)裂和匯合。湯安民[po]通過(guò)研究LY12鋁合金發(fā)現(xiàn),在這種材料中,的確存在兩種不同的斷裂形式,即正拉斷與剪斷。本實(shí)驗(yàn)利用蝶形試樣在改裝的Arcan夾具上進(jìn)行不同角度的拉伸試驗(yàn),使得在蝶形試樣中產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài),研究6063鋁合金在幾種不同的應(yīng)力狀態(tài)下的變形及損傷機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)
   
本實(shí)驗(yàn)所用的材料是軋制的Al-Mg-Si系的6063鋁合金,供貨狀態(tài)為T(mén)6。材料中各元素百分含量如下:Mg: 0.45~0.9; Si: 0.2~0.6; Zn, Cr, Ti和Mn<0.1:Fe <0.35。拉伸卸載試樣在觀察之前進(jìn)行磨制、電解拋光,然后用含2 ml HF, 3 ml HCl,  35 ml HNO3,和190ml水的溶液進(jìn)行腐蝕。
   
在室溫下,用所制取的蝶形試樣在改裝的Arcan夾具上利用SHIMADZU AG-10TA萬(wàn)能拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸及拉伸卸載試驗(yàn),拉伸速度為 1 mm/min。改裝的Arcan夾具試驗(yàn)原理圖如圖1所示:圖1中的a是外加載荷的方向與圖中標(biāo)定線的方向的夾角。試驗(yàn)時(shí),塊1與塊2做相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而使得蝶形試樣達(dá)到所要求的受力狀態(tài)。

3 結(jié)果及討論

    3.1拉伸試驗(yàn)曲線分析
   
不同角度的拉伸試驗(yàn)曲線如圖2所示。圖2a是載荷-位移曲線。由圖2a看出:隨著加載角度的增加,載荷-位移曲線越來(lái)越低,彈性階段的斜率越來(lái)越小,而斷裂位移越來(lái)越大。圖2b是試驗(yàn)的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖2b可以看出:隨著加載角度的增大,名義應(yīng)力一應(yīng)變曲線越來(lái)越低,彈性模量越來(lái)越小,斷裂應(yīng)變?cè)絹?lái)越大。圖2c是加載的工程應(yīng)力在90°方向上的分解的剪切應(yīng)力一剪切應(yīng)變曲線。從圖2c可以看出:隨著加載角度的增大,剪切應(yīng)力一應(yīng)變曲線逐漸升高,而且剪切斷裂應(yīng)變也逐漸增大。上述結(jié)果的原因都是因?yàn)殡S著加載角度的增大,在試樣中的三軸應(yīng)力度逐漸減小所造成的。用ABAQUS計(jì)算不同角度加載時(shí)試樣中三軸應(yīng)力大小如圖3所示。圖3中的橫坐標(biāo)是蝶形試樣兩個(gè)缺口之間的距離。從圖3看出,隨著加載角度的增大,蝶形試樣中心處的三軸應(yīng)力度逐漸減小。90°加載時(shí),屬于純剪狀態(tài)。試樣中心的三軸應(yīng)力度等于0.1(純剪切時(shí),三軸應(yīng)力度應(yīng)該等于0),因?yàn)樵囼?yàn)很難達(dá)到純剪狀態(tài)。斷裂應(yīng)變與三軸應(yīng)力之間的關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出,隨著三軸應(yīng)力的減小,斷裂應(yīng)變呈指數(shù)增加。通過(guò)Origin軟件的指數(shù)擬和得出了斷裂應(yīng)變與三軸應(yīng)力度之間的關(guān)系式:

不同加載角度的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看出:隨著加載角度的增加,三軸應(yīng)力度、彈性模量、屈服應(yīng)力、加工硬化系數(shù)KP和加工硬化指數(shù)np都是逐漸減小的;而斷裂應(yīng)變是逐漸增大的;塑性斷裂功是先減小后增大,在45°加載時(shí)達(dá)到最小值,原因在下文結(jié)合45°拉伸斷裂的斷口進(jìn)行分析。

BIAO1

    3.2金相觀察
   
把不同角度拉伸的蝶形試樣,加載到規(guī)定的應(yīng)變后卸載,不同角度下的拉伸卸載試樣內(nèi)部變形和損傷情況如圖5所示。不同角度下拉伸斷裂的斷口如圖6所示。
 

圖5a是0°加載后卸載試樣的金相照片。從圖5a可以看出,由于應(yīng)力集中,在缺口根部附近首先產(chǎn)生微裂紋,而且缺口根部的晶粒在拉伸應(yīng)力方向明顯被拉長(zhǎng)了。在0°加載卸載金相照片上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微孔洞的存在。圖6a是0°拉伸的斷口照片。斷口是由大量集聚的韌窩區(qū)和平坦的剪切區(qū)組成,結(jié)合0°拉伸卸載金相照片可以斷定,0°拉伸斷裂是由發(fā)育不充分的孔洞間產(chǎn)生剪切面形成的。隨著微裂紋的產(chǎn)生,降低了試樣中的應(yīng)力狀態(tài),可能進(jìn)一步抑制微孔洞的長(zhǎng)大。然后隨著微裂紋的擴(kuò)展、連接,從而導(dǎo)致整個(gè)試樣的斷裂。這種斷裂方式是文獻(xiàn)提到的金屬韌性斷裂的兩種宏觀模式——韌窩斷裂與剪切斷裂的組合。

圖5b是30°加載后卸載的金相照片。從圖5b可以看出,在缺口附近產(chǎn)生了一條很長(zhǎng)的微裂紋,晶粒在30°的方向上明顯被拉長(zhǎng)了。圖5b中也沒(méi)有觀察到微孔洞的產(chǎn)生。從圖6c,30°拉伸斷口上卻發(fā)現(xiàn)了少量韌窩的存在,韌窩和0°拉伸斷口上的韌窩相比,數(shù)量明顯減少,單個(gè)韌窩的體積也變小了,剪切破壞的面積比例增加了。分析原因是30°拉伸的過(guò)程中,三軸應(yīng)力度比0°拉伸時(shí)小,更加不利于孔洞的生長(zhǎng)的緣故。另外,從圖5b還可以看出,少量的韌窩在30°方向上也發(fā)生了明顯的變形。圖5C是45°拉伸卸載的金相照片。從圖5c可以看出,晶粒在45°方向上明顯嚴(yán)重變形,但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)局部變形帶的產(chǎn)生,只是在晶粒邊界產(chǎn)生了一條長(zhǎng)度大約100μm的微裂紋。圖6d是45°拉伸的斷口形貌。

從圖6d看出,斷口上幾乎沒(méi)有韌窩,斷口大部分由一些平坦光滑的剪切面組成的,可知45°方向上的拉伸斷裂方式是剪切斷裂。從表1中可以看出:斷裂功先降低,到了45°拉伸時(shí)達(dá)到最小值,而后斷裂功上升。原因是45°拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)力低于0°拉伸時(shí)的斷裂應(yīng)力,由于三向應(yīng)力度降低,要得到同樣的剪應(yīng)力所需要的拉伸應(yīng)力降低。雖然斷裂應(yīng)變?cè)龃?但所需要的斷裂功仍然較低。隨著拉伸角度的上升,三向應(yīng)力度進(jìn)一步下降,在屈服和斷裂均由剪應(yīng)力控制的條件下,工程斷裂應(yīng)力進(jìn)一步下降,而斷裂應(yīng)變進(jìn)一步上升,從而使得斷裂功增大。圖5d是60°拉伸卸載金相照片。從圖5d可以看出,晶粒在60°方向上明顯嚴(yán)重變形,而且已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生局部變形帶,在局部變形帶中,沿著晶界產(chǎn)生了幾條微裂紋。圖6e是60°拉伸斷裂的斷口形貌。從圖6e可以看出,斷口比較平坦光滑,屬于剪切斷裂的斷口形貌。圖5e是90°拉伸卸載的金相照片。從圖5可以看出,組織中已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的局部剪切變形帶,在剪切帶中產(chǎn)生了一條很長(zhǎng)的主裂紋。局部剪切帶的產(chǎn)生與發(fā)展是在一個(gè)極其短暫的時(shí)間內(nèi)(約幾十到幾百微秒)完成的,是應(yīng)變、應(yīng)變率和熱軟化相互竟?fàn)幍慕Y(jié)果。一般認(rèn)為剪切變形帶的產(chǎn)生是溫度軟化克服其他兩個(gè)條件的結(jié)果。局部化變形形成后,存在一個(gè)材料的軟化過(guò)程。首先是溫度升高導(dǎo)致的熱軟化,此外還包括微觀(位錯(cuò))層次上的軟化,而微觀層次上,材料的軟化則表現(xiàn)在微裂紋(或微孔洞)的形成、擴(kuò)展與連接。90°拉伸試驗(yàn)中產(chǎn)生的剪切變形帶的軟化主要是由于裂紋的產(chǎn)生引起的。圖6f是90°拉伸斷裂的斷口形貌。從圖6f可以看出,斷口形貌平坦光滑,屬于典型的剪切斷口形貌。從以上分析可知:隨著加載角度的增加,材料的損傷方式表現(xiàn)為:微裂紋和微孔洞一微裂紋一局部剪切帶和微裂紋;②鋁合金的晶界由于塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力集中而成為薄弱環(huán)節(jié),大量的微裂紋的起裂大都是在晶界上首先產(chǎn)生的,但是隨后裂紋的擴(kuò)展的過(guò)程中,晶界和晶粒內(nèi)部對(duì)其具有同等的阻力作用,裂紋擴(kuò)展即可以在晶界上,也可以在晶粒內(nèi)部;③從裂紋擴(kuò)展的路徑來(lái)看,0°加載時(shí),裂紋擴(kuò)展的方向隨著裂紋的擴(kuò)展不斷變化。而90°加載時(shí),裂紋擴(kuò)展的路徑幾乎為一條直線,即裂紋在擴(kuò)展的過(guò)程中方向基本沒(méi)有變化。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是裂紋的起裂及擴(kuò)展幾乎是在一瞬間完成的。

4 有限元模擬結(jié)果
   
用有限元軟件ABAQUS模擬不同角度的拉伸,在蝶形試樣中心塑性區(qū)的形狀及大小。圖7是蝶形試樣中心塑性區(qū)的模擬結(jié)果。由圖7可以看出,隨著加載角度的不同,蝶形試樣中心塑性區(qū)的形狀及大小均不相同。0°加載時(shí),由于變形大都集中在缺口根部而使塑性區(qū)最小,90°加載時(shí),由于塑性變形嚴(yán)重而使塑性區(qū)最大。隨著加載角度的增大,塑性區(qū)的材料在加載的方向上明顯被拉長(zhǎng),這些模擬結(jié)果都和試驗(yàn)中所觀察的現(xiàn)象相一致。

5 結(jié)論
   
1)隨著加載角度的增加,三軸應(yīng)力度、彈性模量、屈服應(yīng)力、加工硬化系數(shù)Kp和加工硬化指數(shù)nP都是逐漸減小的:而斷裂應(yīng)變是逐漸增大的;塑性斷裂功是先減小后增大,在45°加載時(shí)達(dá)到最小值,在90°加載時(shí)達(dá)到最大值。
   
2) 隨著加載角度的增加,材料的損傷方式表現(xiàn)為:微孔洞和微裂紋一微裂紋一局部剪切帶和微裂紋。
   
3) 0°拉伸的斷裂方式為韌窩斷裂和剪切斷裂的混合模式:隨著拉伸角度的增大,韌窩斷裂機(jī)制在減小,剪切斷裂機(jī)制在增大。90°拉伸時(shí)的斷裂形貌則是典型的剪切斷口形貌。隨著試樣中三軸應(yīng)力度的增大,斷口越來(lái)越平坦光滑。
   
4) 裂紋擴(kuò)展的路徑在90°加載時(shí),幾乎不隨著裂紋的擴(kuò)展而變化。在此,快速剪切機(jī)制起主要作用。在0°加載時(shí),則不發(fā)生這種情況。

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