搜索不同應力狀態下鋁合金變形及損傷機理的研究
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
為了適應節能環保的要求,大量的鋁合金成為交通工具的主要用材。交通工具的一個重要性能指標就是耐撞擊性。鋁合金汽車構件在撞擊過程中,構件的應力狀態各點均不相同,而且在撞擊過程中各點的應力狀態還隨著時間變化而變化。因此,為了研究汽車鋁合金構件在不同應力狀態下變形及損傷機理,利用改裝的Arcan夾具,在蝶形試樣上進行0°,30°, 45°,60°, 90°的拉伸及拉伸卸載試驗。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。從細觀上來說,材料的韌窩斷裂由空穴形核、擴張和匯合造成;剪切斷裂的細觀機理則是材料內的細觀剪切面的開裂和匯合。湯安民[po]通過研究LY12鋁合金發現,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。本實驗利用蝶形試樣在改裝的Arcan夾具上進行不同角度的拉伸試驗,使得在蝶形試樣中產生不同的應力狀態,研究6063鋁合金在幾種不同的應力狀態下的變形及損傷機理。
2 實驗
本實驗所用的材料是軋制的Al-Mg-Si系的6063鋁合金,供貨狀態為T6。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萬能拉伸機進行拉伸及拉伸卸載試驗,拉伸速度為 1 mm/min。改裝的Arcan夾具試驗原理圖如圖1所示:圖1中的a是外加載荷的方向與圖中標定線的方向的夾角。試驗時,塊1與塊2做相對運動,從而使得蝶形試樣達到所要求的受力狀態。
3 結果及討論
3.1拉伸試驗曲線分析
不同角度的拉伸試驗曲線如圖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-位移曲線越來越低,彈性階段的斜率越來越小,而斷裂位移越來越大。圖2b是試驗的名義應力-應變曲線。從圖2b可以看出:隨著加載角度的增大,名義應力一應變曲線越來越低,彈性模量越來越小,斷裂應變越來越大。圖2c是加載的工程應力在90°方向上的分解的剪切應力一剪切應變曲線。從圖2c可以看出:隨著加載角度的增大,剪切應力一應變曲線逐漸升高,而且剪切斷裂應變也逐漸增大。上述結果的原因都是因為隨著加載角度的增大,在試樣中的三軸應力度逐漸減小所造成的。用ABAQUS計算不同角度加載時試樣中三軸應力大小如圖3所示。圖3中的橫坐標是蝶形試樣兩個缺口之間的距離。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力度逐漸減小。90°加載時,屬于純剪狀態。試樣中心的三軸應力度等于0.1(純剪切時,三軸應力度應該等于0),因為試驗很難達到純剪狀態。斷裂應變與三軸應力之間的關系曲線如圖4所示。從圖4可以看出,隨著三軸應力的減小,斷裂應變呈指數增加。通過Origin軟件的指數擬和得出了斷裂應變與三軸應力度之間的關系式:
不同加載角度的拉伸試驗數據如表1所示。由表1可以看出:隨著加載角度的增加,三軸應力度、彈性模量、屈服應力、加工硬化系數KP和加工硬化指數np都是逐漸減小的;而斷裂應變是逐漸增大的;塑性斷裂功是先減小后增大,在45°加載時達到最小值,原因在下文結合45°拉伸斷裂的斷口進行分析。
BIAO1
3.2金相觀察
把不同角度拉伸的蝶形試樣,加載到規定的應變后卸載,不同角度下的拉伸卸載試樣內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,由于應力集中,在缺口根部附近首先產生微裂紋,而且缺口根部的晶粒在拉伸應力方向明顯被拉長了。在0°加載卸載金相照片上并沒有發現微孔洞的存在。圖6a是0°拉伸的斷口照片。斷口是由大量集聚的韌窩區和平坦的剪切區組成,結合0°拉伸卸載金相照片可以斷定,0°拉伸斷裂是由發育不充分的孔洞間產生剪切面形成的。隨著微裂紋的產生,降低了試樣中的應力狀態,可能進一步抑制微孔洞的長大。然后隨著微裂紋的擴展、連接,從而導致整個試樣的斷裂。這種斷裂方式是文獻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,在缺口附近產生了一條很長的微裂紋,晶粒在30°的方向上明顯被拉長了。圖5b中也沒有觀察到微孔洞的產生。從圖6c,30°拉伸斷口上卻發現了少量韌窩的存在,韌窩和0°拉伸斷口上的韌窩相比,數量明顯減少,單個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°拉伸的過程中,三軸應力度比0°拉伸時小,更加不利于孔洞的生長的緣故。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°方向上明顯嚴重變形,但是并沒有發現局部變形帶的產生,只是在晶粒邊界產生了一條長度大約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°拉伸時達到最小值,而后斷裂功上升。原因是45°拉伸時的斷裂應力低于0°拉伸時的斷裂應力,由于三向應力度降低,要得到同樣的剪應力所需要的拉伸應力降低。雖然斷裂應變增大,但所需要的斷裂功仍然較低。隨著拉伸角度的上升,三向應力度進一步下降,在屈服和斷裂均由剪應力控制的條件下,工程斷裂應力進一步下降,而斷裂應變進一步上升,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°方向上明顯嚴重變形,而且已經開始產生局部變形帶,在局部變形帶中,沿著晶界產生了幾條微裂紋。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,組織中已經產生了明顯的局部剪切變形帶,在剪切帶中產生了一條很長的主裂紋。局部剪切帶的產生與發展是在一個極其短暫的時間內(約幾十到幾百微秒)完成的,是應變、應變率和熱軟化相互竟爭的結果。一般認為剪切變形帶的產生是溫度軟化克服其他兩個條件的結果。局部化變形形成后,存在一個材料的軟化過程。首先是溫度升高導致的熱軟化,此外還包括微觀(位錯)層次上的軟化,而微觀層次上,材料的軟化則表現在微裂紋(或微孔洞)的形成、擴展與連接。90°拉伸試驗中產生的剪切變形帶的軟化主要是由于裂紋的產生引起的。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致應力集中而成為薄弱環節,大量的微裂紋的起裂大都是在晶界上首先產生的,但是隨后裂紋的擴展的過程中,晶界和晶粒內部對其具有同等的阻力作用,裂紋擴展即可以在晶界上,也可以在晶粒內部;③從裂紋擴展的路徑來看,0°加載時,裂紋擴展的方向隨著裂紋的擴展不斷變化。而90°加載時,裂紋擴展的路徑幾乎為一條直線,即裂紋在擴展的過程中方向基本沒有變化。產生這一結果的原因可能是裂紋的起裂及擴展幾乎是在一瞬間完成的。
4 有限元模擬結果
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的形狀及大小。圖7是蝶形試樣中心塑性區的模擬結果。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的形狀及大小均不相同。0°加載時,由于變形大都集中在缺口根部而使塑性區最小,90°加載時,由于塑性變形嚴重而使塑性區最大。隨著加載角度的增大,塑性區的材料在加載的方向上明顯被拉長,這些模擬結果都和試驗中所觀察的現象相一致。
5 結論
1)隨著加載角度的增加,三軸應力度、彈性模量、屈服應力、加工硬化系數Kp和加工硬化指數nP都是逐漸減小的:而斷裂應變是逐漸增大的;塑性斷裂功是先減小后增大,在45°加載時達到最小值,在90°加載時達到最大值。
2) 隨著加載角度的增加,材料的損傷方式表現為: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,韌窩斷裂機制在減小,剪切斷裂機制在增大。90°拉伸時的斷裂形貌則是典型的剪切斷口形貌。隨著試樣中三軸應力度的增大,斷口越來越平坦光滑。
4) 裂紋擴展的路徑在90°加載時,幾乎不隨著裂紋的擴展而變化。在此,快速剪切機制起主要作用。在0°加載時,則不發生這種情況。
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