6082—T6鋁合金材料力學性能研究

摘 要：采用萬能材料試驗機和分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置，對典型車用的6082-T6鋁合金材料進行準靜態拉伸試驗和不同應變率下的動態壓縮試驗。通過對兩個試驗進行對比，分析6082-T6鋁材是否為各向同性和應變率敏感材料。

關鍵詞：6082-T6鋁材；各向同性；應變率

1 概述

近年來，隨著軌道交通事業的飛速發展，軌道車輛結構的合理化和輕量化已成為軌道交通行業的研究重點，對車輛自重、列車運行速度、易于加工成型、良好的耐腐蝕性以及優良的焊接性等諸多優點，被廣泛應用于制造貨車車輛、城際列車、地鐵和高速列車等[1-4]，在軌道交通輕量方面有著無可比擬的作用。6082鋁合金屬于A1-Mg-Si系合金，是以Mg2Si為強化相的鋁合金，抗拉強度為160～320 MPa，延伸率≥8%，屬于可熱處理強化的鋁合金，具有中等強度、密度低、較好的耐蝕性、優良的加工性能和焊接性能，常用于高速列車車體的主體結構。

6082-T6具有較高的機械特性王譽瑾等對6082-T6高強鋁合金型材進行了拉伸試驗，統計了材料的力學參數[5]。庹文海等對軌道交通用6082-T6鋁合金進行MIG焊接，對其焊接性能進行觀察分析[6]。韋 等利用熱模擬機研究6082鋁合金的熱壓縮變形行為，得到了高溫下該鋁合金的應力-應變曲線[7]。

文章主要就6082-T6鋁合金材料的力學性能性能通過萬能材料試驗機和霍普金森拉桿裝置開展了系統的實驗研究。通過對橫向切取和縱向切取材料在不同應變率下的對比，得出了6082-T6鋁材為各向同性和應變率敏感材料的結論。

2 準靜態拉伸試驗

2.1 試件及儀器

運用Instron 5969標準電子萬能拉伸試驗機對6082-T6鋁材進行了準靜態拉伸試驗。試件參照GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》[8]制作。板狀試件的尺寸示意圖與試件加工后的照片分別如圖1（a）和圖1（b）所示。本試驗采用比例試件，形狀為板狀，其厚度為4mm，平行長度為55mm，總長度128mm。

2.2 試驗結果

將試驗試件在室溫（10～35℃）環境下，試驗試件及試驗用夾頭安裝在試驗機上，試件軸線應與力的作用線重合，將引伸計連接在試件上。試驗機勻速進行拉伸，加載速率為10mm/min，測試試件在拉伸過程中的載荷-變形量的關系。針對橫向切取和縱向切取材料，分別進行四次試驗。試件在常規拉伸實驗下斷裂形狀圖如圖2所示。

將試驗結果繪制曲線，得到如圖3所示的位移-載荷曲線。由曲線可知，橫向切取和縱向切取材料的準靜態拉伸曲線無較大差異。

3 動態壓縮試驗

3.1 試驗設備及原理

動態壓縮試驗是在SHPB裝置上進行的，該裝置如圖4所示，包含共軸安裝的撞擊桿（即子彈）輸入桿和輸出桿以及相關測試系統。試驗過程中，試件夾在輸入桿與輸出桿之間，撞擊桿在氣槍中由高壓氣體推動加速到撞擊速度，并撞擊輸入桿。此時，在輸入桿端部產生一個入射脈沖，當應力脈沖到達試件前端面后，試件在該應力脈沖作用下發生變形。與此同時，該應力脈沖部分被界面反射，在輸入桿中產生一個反射脈沖；另一部分穿過試件到達輸出桿，在輸出桿中產生一個透射脈沖，如圖5所示，這些脈沖可通過粘貼在輸入桿和輸出桿上的電阻應變片測得。

相對于三波法，二波法更為常用，且形式更簡單易用，二波法具體形式如式（1）-（3）所示[9]。

式中，s是試件中的平均應變率，εs是試件中的平均應變，σs為試件中的平均應力；εr和εt分別為反射波和透射波對應的應變，由貼在入射桿和透射桿上的應變片可以直接讀出；C0和A0分別是壓桿的聲速與橫截面積；LS和AS分別是試件的初始長度與橫截面積。

3.2 試驗結果

在室溫（10～35℃）環境下，將試驗試件安裝在入射桿和投射桿之間。試驗過程中，打開氣閥釋放氣泵內的高壓氣體，推動子彈運動使其迅速達到一定的速度，子彈快速撞擊入射桿的左端使其迅速拉伸產生一個應力波，當波傳遞到試件處，一部分入射波反射回去形成反射波，一部分透過試件繼續傳遞形成透射波，對采集到的測試信號進行處理可以得到相應應變率下的應力-應變曲線。該裝置氣泵可為子彈提供3～8bar氣體壓力，通過改變氣體壓力的大小從而改變子彈入射速度，進而改變試件的應變率。針對橫向切取和縱向切取材料，在不同氣體壓力下：5、6、7、8bar，分別進行試驗，測得應變率分別為2000s-1、2200s-1、2500s-1、2800s-1，將試驗結果處理后得到圖6不同應變率下應力-應變曲線。

4 結束語

由準靜態拉伸的位移-載荷曲線和動態壓縮的真實應力-應變曲線，得到以下幾點結論：（1）橫向切取材料和縱向切取材料的試驗結果基本相同，所以6082-T6為各向同性材料。（2）隨著試驗的應變率增加，材料的屈服強度明顯提高，所以6082-T6為應變率敏感材料。

參考文獻

[1]Skillingberg M，Green J.Aluminum applications in the railindustry[J].Light Metal Age，2007，65（5）：8.

[2]蘇鴻英.鐵路工業的鋁應用[J].資源再生，2008（4）：24.

[3]Morita A Aluminum alloys for automobile applications[C].Proc of ICAA-6，Toyohashi.Japan，1998.

[4]楊向明.國外高速列車相關技術的研究動態簡介[J].道機車車輛工人，2006（11）：1.

[5]王譽瑾.6082-T6高強鋁合金材料本構模型試驗[J].研究建筑結構學報，2013，34（6）：113-120.

[6]庹文海.軌道交通用6082-T6鋁合金MIG焊接接頭組織與疲勞性能[J].材料導報，2015，29（20）：105-109.

[7]韋 ，蔣鵬，曹飛.6082鋁合金的高溫本構關系[J].塑性工程學報，2013，20（2）：100-106.

[8]GB/T228.1-2010.金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法[S].2010.

[9]余同希，邱信明.沖擊動力學[M].北京∶清華大學出版社，2011：47.