6016鋁合金變形應變場研究新方法

張冬冬， 王 勇， 任 祥， 冉 旭

（長春工業大學材料科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

車身輕量化是節能減排的重要途徑之一，在致力于車身輕量化的同時，強度也不容忽視，這就使車身輕量化的任務更加復雜化。在車身輕量化研究中，人們對鋁的興趣日益高漲［1－2］。如果在掌握鋁合金變形時應變場變化規律的情況下，準確定位成形極限，那么鋁合金在汽車工業領域將具有廣泛的應用前景。

在鋁合金變形過程中，為了對應變場變化進行定性分析，需要一種能夠準確、快速的表征材料性能的方法。在幾年前，數字圖像相關方法應用于這個領域［3－6］。傳統2D DIC系統（單架攝像機）首次應用于樣品面內變形量的測量（如拉伸試驗）［7－8］。近年來，傳統3D DIC（兩架攝像機）系統被廣泛應用于外部變形的測量［9］，但是，傳統3D DIC系統有兩方面的不足［10］，首先是過于依賴裝置的穩定性，也就是說，實驗中兩臺相機的位置必須要精確定位。另一個是實際工作中的測試時，復雜的環境條件會使系統喪失精確性［11］。為了克服這些不足，本研究使用的3D DIC系統（多架攝像機）是全視野的、無接觸的數值測量方法，以每秒超過15幀記錄圖像。全視野測量方法可以追蹤試樣上不同點的位置，并且對應著X，Y，Z軸定義每一點并測得相應的位移和應變。

文中目的就是找到一個可重復使用的、操作簡單和不受環境約束的方法。通過這種方法可以對不同的材料進行實驗與測量，不受制于形狀、大小、溫度及環境的限制，對試驗樣品的變形行為進行記錄。這種方法就是上文提到的3D DIC，以6016鋁合金為例，采用3D DIC系統測量鋁合金的變形行為和應變場分布，對鋁合金的應變場分布與變化進行研究，從而確定6016鋁合金的成形極限。

1 實驗材料、設備與方法

1.1 實驗材料

文中選用6016鋁合金為研究對象，其化學成分見表1。

表1 6016鋁合金化學成分 wt%

鋁合金板材在垂直于軋制方向（橫向T），沿著軋制方向（豎向R）與軋制方向成45°（斜向D）分別取拉伸試樣。樣品由電火花切割機加工而成，尺寸如圖1所示（單位mm）。

圖1 6016鋁合金拉伸樣品尺寸

由于鋁合金表面光滑容易反光，文中進行表面著色處理來降低光面反射率。樣品拉伸前照片如圖2所示。

圖2 6016-T4鋁合金拉伸前樣品圖

拉伸過程中由DIC系統獲得實時的樣品變形及應力－應變數據。

1.2 實驗設備

實驗使用的拉伸試驗設備的型號為WDW-200，如圖3所示。

圖3 WDW-200型萬能拉伸試驗機

實驗設備由3個CCD攝像機、1個綠色的LED光源，1個拉伸試驗機、1個固定的黑色背景和幾臺用來記錄數據的電腦組成。綠色的LED燈和黑色的背景板為試樣提供最佳的照明并且降低周圍環境的影響，在實驗中，整個背景在DIC中的灰度值為0。實驗設備的關鍵組成部分就是用來記錄數據的3臺攝像機。對于單一的子集，實驗通過三相機來觀察，程序首先會對整個樣品覆蓋觀察然后定位子集。同樣，三相機DIC系統也可以被認為是3個獨立的DIC系統，可以通過其中任意兩個相機的相關性而進行數據重組，這樣就可以得到最理想的結果。相對于傳統DIC系統，三相機DIC系統有許多優點，最大的優點就是在實際測量中的高精度。而且三相機DIC系統具有高的測量的準確性，可以提供更多的冗余數據。

1.3 實驗方法

對6016鋁合金進行拉伸試驗時，選擇的是等速拉伸，拉伸速度是12.7 mm／min。在拉伸過程中，所有的攝像機同步運行，同樣拉伸試驗機的控制器和攝像機也是同步的，這樣采集數據和拉伸試驗可以同時開始。相機的數據采集率和拉伸試驗機設置為30 Hz。采集率的有效分辨率為2 500×200像素。文中子集的大小設置為21× 21像素，網格空間設置為6像素，精度為0.05像素。

2 實驗結果與討論

2.1 3D DIC系統的構建

數字圖像相關方法是全視野的、非接觸式的方法，使用CCD或者CMOS攝像機來記錄和跟蹤試樣的單個點。利用兩個或者更多的相機所得數據，軟件能夠計算出X，Y，Z坐標以及在每個方向上的應變。這樣可以通過跟蹤像素和其周圍小區域的運動來完成，這類區域稱為子集；子集的數量將會隨著不同的設置而發生變化。其原理是定義區域或者子集雖然可能會變形，但定義區域或者子集的光反射數量應該是相同的。通過這種方法，軟件能夠無視變形地追蹤每一個點。但是在實驗時，由于照明條件和其它因素的影響，使點的追蹤過程更加復雜。一般來說，DIC系統是由兩個同步的攝像機來組成的，因為對于空間內的一個點，兩個攝像頭可以提供足夠的數據進行三維重組。文中使用3D DIC系統，這個系統和傳統的3D DIC系統的基本過程相同，但是通過3個相機記錄的數據可以進行數據優化匹配，提高其精確度，得到理想結果。

當3臺相機對準同一區域時，它們任何一個都可以是參考相機，因此在測量過程中，這個系統相當于3個獨立的DIC系統。對于物體表面的每一個點都有3套數據，通過兩兩匹配，選擇最佳數據進行分析。對于傳統DIC系統，相關誤差大約是0.2像素，但是，三相機系統將誤差值減小到0.05像素。

使用傳統3D DIC系統需要對系統進行精確校準，才能使得兩組數據相關并且得到理想結果。如果校準出現問題，那么數據就會失去相關性或者相關性很小。任何一種情況都會造成實驗失敗。而第3臺相機所得到的數據可使得相關性的數量從1增加到3。3組數據進行兩兩相關重組，就可以選擇誤差最小的數據作為最后結果。由于每次結果只用到兩組數據，那么從3D DIC系統攝像機出來的數據就有一組是冗余的。雖然有些數據可能不會作為最后的結果使用，但是每個相機都是必不可少的。由于系統不需要像2D或者傳統3D DIC一樣校準，因此使用起來更簡便，更加適合大量樣品的測量。

2.2 6016鋁合金在不同取樣方向上的應力－應變曲線

文中研究的6016鋁合金為軋材，因此需要在不同方向上分別取樣，分析其拉伸性能，主要對其抗拉強度、屈服強度、延伸率和應力－應變曲線進行對比，結果如圖4所示。

圖4 不同取樣方向上6016鋁合金的應力－應變曲線

圖4為6016-T4鋁合金與軋制方向成不同角度的樣品的應力－應變曲線。通過對比分析橫向、豎向和斜向的拉伸性能及應力－應變曲線，發現隨軋制方向的改變，其力學性能無明顯變化。這表明，取樣方向不同，對樣品的抗拉強度、屈服強度和延伸率沒有太大的影響，6016鋁合金的軋制并未使其沿軋制方向產生各向異性。

6016鋁合金在等速拉伸下進行變形，隨著時間的增加，進入塑性變形階段，這時就會產生頸縮，這個頸縮稱之為初始頸縮（Diffused Necking），這是一個均勻的變形階段。當拉伸繼續進行時，厚度方向上也會產生類似頸縮，這個頸縮稱之為厚度初始頸縮（Localize Necking，LN），而LN就是FL的初始點。由圖4可以看出，3D DIC系統可以完全象傳統的3D DIC系統一樣，測量出樣品的應力－應變曲線，同時，3攝像機3D DIC系統還可以做FL的分析。

2.3 成形極限的確定

為了測量6016-T4鋁合金FL，文中采用3D DIC系統進行試驗和全程同步數據采集。在實驗開始前，建立一個基準面并且設置其坐標為“平面”即所有坐標都是“0”，拉伸開始時，看變形子集到基準面的距離，到基準面距離最大的子集就是變形最大的區域，這部分區域可以找到6016鋁合金的FL，如圖5所示。

圖5 變形子集到基準面的距離

圖5顯示的是頸縮區橫斷面的形狀變化，由圖中可以看出曲線變化較大，曲線的變化程度與趨勢也同樣是樣品表面的真實變形情況。同時，也可從圖中看出，在標示位置，點到標定面的距離瞬間急速變化，這就是頸縮的開始，同樣也是6016-T4鋁合金的FL。

2.4 時間－應變曲線確定6016鋁合金FL

為了研究鋁合金樣品的FL與形變參數之間的關系，分析了多種實驗參數（如時間、應力、應變、延伸率等），最終確定了時間與應變之間的關系，并繪制出關系曲線，找到了FL，如圖6所示。

圖6 6016-T4鋁合金時間－應變曲線

圖6中的關系曲線顯示時間與應變基本上呈線性關系，并且大致可以分為兩個階段。第1階段內，隨著時間的變化，應變變化不大，變化速率較低；經過約80 s之后，變化進入第2階段內，此時變化速率急劇增大，然后斷裂。所以可以確定，應變斜率急速變化的轉折點即為FL。

2.5 6016-T4鋁合金樣品拉伸后形貌

6016-T4鋁合金樣品拉伸后樣品圖如圖7所示。

圖7 6016鋁合金拉伸后樣品圖

由圖中可以看到，試樣在拉應力作用下發生斷裂，在接近斷口處可以看到明顯的頸縮現象，剪切面方向與拉伸軸線近似成45°。

2.5.1 6016鋁合金樣品拉伸斷口觀察

6016鋁合金樣品的拉伸斷口不同放大倍數的SEM形貌如圖8所示。

圖8 6016鋁合金樣品拉伸斷口SEM形貌

由圖中可以看出，樣品斷口處主要是由大量的韌窩組成，是典型的韌性斷裂。

2.5.2 斷口處金相顯微組織

在樣品斷裂前經過明顯的彈性變形階段、塑性變形階段，然后產生頸縮，而在本實驗中，通過觀察可以發現，樣品不單單只是一處產生頸縮，而是產生了多重頸縮，最后發生斷裂。而斷裂點只是其中一個頸縮點，即最大程度的頸縮點。不同放大倍數的鋁合金拉伸樣品斷口處的顯微組織如圖9所示。

圖9 6016鋁合金樣品拉伸斷口處顯微組織

由圖中可以看出，樣品在斷裂前發生了大量塑性變形，原晶粒被拉長或破碎，不再保持原來的大小、形狀，有時能看到滑移的痕跡。

3 結 語

1）6016鋁合金經過軋制后，各個方向上的力學性能沒有表現出巨大差別，即并未因為軋制而產生各向異性。

2）3D DIC系統操作更加方便，不僅對試樣的形狀無具體要求，而且在切換試樣的過程中無需對攝像機進行重新定位，同時，由于多出一架攝像機，可得冗余數據，最終對多組數據優化匹配，得到較理想的結果，在實際的測試當中具有更好的實用性。

3）通過多架相機3D DIC系統，以6016-T4鋁合金為例，找到FL，同時定義了時間和應變的關系曲線上的FL。

［1］ 孫偉成，張叔榮.稀土元素在鋁合金中的合金化作用［J］.兵器材料科學與工程，1990（2）：33-35.

［2］ Kleiner S，Henkel C，Schulz P，et al.Paint bake response of aluminum alloy 6016［J］.Aluminum，2001，77（3）：185-189.

［3］ Chen D J，Chiang F P，Tan Y S，et al.Digital speckle-displacement measurement using a complex spectrum method［J］.Applied Optics，1993，32（11）：1839-1849.

［4］ Bay B K.Texture correlation：A method for the measurement of detailed strain distributions within trabecular bone［J］.Journal of Orthopaedic Research，1995，13（2）：258-267.

［5］ Zhang D，Zhang X，Cheng G.Compression strain measurement by digital speckle correlation［J］.Experimental Mechanics，1999，39（1）：62-65.

［6］ 潘兵，續伯欽，陳丁，等.數字圖像相關中亞像素位移測量的曲面擬合法［J］.計量學報，2005，26（2）：128-134.

［7］ 潘兵，續伯欽，謝惠民，等.面內位移測量的基于梯度的數字圖像相關方法［J］.光學技術，2005，31（5）：643-647.

［8］ Gothekar A.Validation of digital Image correlation for sheet metal strain measurement［D］：［Master’s Degree Thesis］.Oakland：Oakland University，2010.

［9］ 吳運新，龔海，廖凱.鋁合金預拉伸板殘余應力場的評估模型［J］.華南理工大學學報，2011，39（1）：90-94.

［10］ 孫偉，何小元，C Quan，等.基于數字圖像相關的三維剛體位移測量方法［J］.光學學報，2008，28（5）：894-901.

［11］ 竇海鵬.數字濾波語音信號除噪設計［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2013，34（6）：663-667.