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)保以及經濟發(fā)展的需求。鋁合金因其較小的密度、良好的塑性、以及較高的比強度已成為汽車制造業(yè)的重要輕質材料。交通工具一個重要的性能指標就是耐撞擊性。在撞擊的過程中，構件上的應力狀態(tài)及應變率各點均不相同，而且在撞擊的過程中各點的應力狀態(tài)及應變率還隨著時間的變化而變化。用有限元分析方法模擬鋁合金碰撞是研究鋁合金構件耐撞擊性的重要方法，利用計算機模擬技術進行空間框架結構的變形、吸能和失效模式的研究可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用

2、。但是這些有限元分析軟件在實際應用中仍然存在很多問題，有時其模擬結果與試驗結果存在較大的差異。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缺乏準確的描述材料變形行為的本構關系以及描述材料失效和斷裂的損傷模型。本文通過大量的實驗研究以及各種力學參數的測定，分析6061鋁合金材料在不同應力狀態(tài)及不同應變率下微觀結構損傷演化破壞規(guī)律，為建立可以描述6061鋁合金變形行為的本構關系和正確的有限元模型奠定了基礎。本文主要研究以下幾個方面：

3、 一、通過對多種鋁合金的對比分析，確定6061鋁合金能夠通過優(yōu)化工藝達到車用型材所要求的尺寸偏差、力學性能、耐蝕性能和外觀質量的要求，而且價格合理，。所以最終確定我們的研究對象為6061鋁合金。 二、為實現不同的應力狀態(tài)設計了不同的缺口拉伸試樣。通過對不同缺口試樣進行準靜態(tài)拉伸，研究了6061鋁合金在不同應力狀態(tài)的力學性能和斷裂行為。結果表明：隨著缺口半徑增大，三軸應力度是降低的。隨著三軸應力度的降低，材料的峰值載荷降低

4、，斷面收縮率和斷裂應變均增大；顯微斷口上的韌窩越來越均勻細小，剪切唇區(qū)面積逐漸增大；放射區(qū)的山脊狀的鋸齒數量逐漸減少，但深度增加。 三、設計可實現不同的應力狀態(tài)的缺口試樣，在SEM-520掃描電鏡下進行原位拉伸實驗，研究了6061鋁合金試樣的斷裂過程。研究結果表明：不同應力狀態(tài)下的鋁合金試樣在拉伸過程中其表面均產生了大量的滑移帶，但斷裂機理不同。隨著三軸應力度的降低，從韌窩聚合型和韌窩聚合混合剪切斷裂機制向純剪切斷裂機制過渡，試

5、樣的微觀斷口也表現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，微裂紋長大和擴展。微裂紋之間的擴展或剪切連接導致試樣斷裂；試樣最小截面上的三軸應力度越小，試樣斷口上韌窩的取向就越明顯，斷口越光滑。 四、通過不同應變率的平板拉伸試驗，研究了6061鋁合金材料在不同應變率下的變形和斷裂行為。結果表明：隨著應變率的增大，鋁合金的屈服強度略有增大，斷裂應變，斷裂強度和抗拉強度基本

6、不變。在相當高的應變率的范圍內，材料的應變率敏感性才顯現出來：隨著應變率的增加，材料的屈服強度和抗拉強度，斷裂應變均增大。當應變率到達一定的臨界值時，材料中出現了反向應變率弱化效應。隨著應變率的增大，斷口上的韌窩越來越具有明顯的方向性。同時斷口上剪切平面所占的比例也越來越多，即隨著應變率的增加，材料的剪切斷裂機制的趨勢增加。 五、利用常見的落錘沖擊試驗機，配合示波沖擊儀，將試樣固定在自行設計的夾具裝置上，進行不同速度的沖擊拉伸拉

7、斷試驗和拉伸卸載試驗；通過光學顯微鏡和掃描電鏡對斷口和卸載試樣進行觀察分析，研究6061鋁合金材料在沖擊載荷作用下的力學行為。試驗結果表明：6061鋁合金受沖擊載荷時的斷裂行為與準靜態(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°，出現了“白色變形帶”，白的變形帶并不是相變的結果，而是當應變率達到一定臨界