6082—T6鋁合金材料力學(xué)性能研究

摘 要：采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置，對(duì)典型車用的6082-T6鋁合金材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析6082-T6鋁材是否為各向同性和應(yīng)變率敏感材料。

關(guān)鍵詞：6082-T6鋁材；各向同性；應(yīng)變率

1 概述

近年來(lái)，隨著軌道交通事業(yè)的飛速發(fā)展，軌道車輛結(jié)構(gòu)的合理化和輕量化已成為軌道交通行業(yè)的研究重點(diǎn)，對(duì)車輛自重、列車運(yùn)行速度、易于加工成型、良好的耐腐蝕性以及優(yōu)良的焊接性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(wú)可比擬的作用。6082鋁合金屬于A1-Mg-Si系合金，是以Mg2Si為強(qiáng)化相的鋁合金，抗拉強(qiáng)度為160～320 MPa，延伸率≥8%，屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，具有中等強(qiáng)度、密度低、較好的耐蝕性、優(yōu)良的加工性能和焊接性能，常用于高速列車車體的主體結(jié)構(gòu)。

6082-T6具有較高的機(jī)械特性王譽(yù)瑾等對(duì)6082-T6高強(qiáng)鋁合金型材進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了材料的力學(xué)參數(shù)[5]。庹文海等對(duì)軌道交通用6082-T6鋁合金進(jìn)行MIG焊接，對(duì)其焊接性能進(jìn)行觀察分析[6]。韋 等利用熱模擬機(jī)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(yīng)力-應(yīng)變曲線[7]。

文章主要就6082-T6鋁合金材料的力學(xué)性能性能通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和霍普金森拉桿裝置開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)橫向切取和縱向切取材料在不同應(yīng)變率下的對(duì)比，得出了6082-T6鋁材為各向同性和應(yīng)變率敏感材料的結(jié)論。

2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

2.1 試件及儀器

運(yùn)用Instron 5969標(biāo)準(zhǔn)電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)6082-T6鋁材進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。試件參照GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)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(yàn)采用比例試件，形狀為板狀，其厚度為4mm，平行長(zhǎng)度為55mm，總長(zhǎng)度128mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)試件在室溫（10～35℃）環(huán)境下，試驗(yàn)試件及試驗(yàn)用夾頭安裝在試驗(yàn)機(jī)上，試件軸線應(yīng)與力的作用線重合，將引伸計(jì)連接在試件上。試驗(yàn)機(jī)勻速進(jìn)行拉伸，加載速率為10mm/min，測(cè)試試件在拉伸過(guò)程中的載荷-變形量的關(guān)系。針對(duì)橫向切取和縱向切取材料，分別進(jìn)行四次試驗(yàn)。試件在常規(guī)拉伸實(shí)驗(yàn)下斷裂形狀圖如圖2所示。

將試驗(yàn)結(jié)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(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線無(wú)較大差異。

3 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)是在SHPB裝置上進(jìn)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(guān)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)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(dòng)加速到撞擊速度，并撞擊輸入桿。此時(shí)，在輸入桿端部產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖，當(dāng)應(yīng)力脈沖到達(dá)試件前端面后，試件在該應(yīng)力脈沖作用下發(fā)生變形。與此同時(shí)，該應(yīng)力脈沖部分被界面反射，在輸入桿中產(chǎn)生一個(gè)反射脈沖；另一部分穿過(guò)試件到達(dá)輸出桿，在輸出桿中產(chǎn)生一個(gè)透射脈沖，如圖5所示，這些脈沖可通過(guò)粘貼在輸入桿和輸出桿上的電阻應(yīng)變片測(cè)得。

相對(duì)于三波法，二波法更為常用，且形式更簡(jiǎn)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(yīng)變率，εs是試件中的平均應(yīng)變，σs為試件中的平均應(yīng)力；εr和εt分別為反射波和透射波對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，由貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)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(zhǎng)度與橫截面積。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在室溫（10～35℃）環(huán)境下，將試驗(yàn)試件安裝在入射桿和投射桿之間。試驗(yàn)過(guò)程中，打開氣閥釋放氣泵內(nèi)的高壓氣體，推動(dòng)子彈運(yùn)動(dòng)使其迅速達(dá)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(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力波，當(dāng)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(guò)試件繼續(xù)傳遞形成透射波，對(duì)采集到的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理可以得到相應(yīng)應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。該裝置氣泵可為子彈提供3～8bar氣體壓力，通過(guò)改變氣體壓力的大小從而改變子彈入射速度，進(jìn)而改變?cè)嚰膽?yīng)變率。針對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得應(yīng)變率分別為2000s-1、2200s-1、2500s-1、2800s-1，將試驗(yàn)結(jié)果處理后得到圖6不同應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)

由準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的位移-載荷曲線和動(dòng)態(tài)壓縮的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）橫向切取材料和縱向切取材料的試驗(yàn)結(jié)果基本相同，所以6082-T6為各向同性材料。（2）隨著試驗(yàn)的應(yīng)變率增加，材料的屈服強(qiáng)度明顯提高，所以6082-T6為應(yīng)變率敏感材料。

參考文獻(xiàn)

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[5]王譽(yù)瑾.6082-T6高強(qiáng)鋁合金材料本構(gòu)模型試驗(yàn)[J].研究建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(dǎo)報(bào)，2015，29（20）：105-109.

[7]韋 ，蔣鵬，曹飛.6082鋁合金的高溫本構(gòu)關(guān)系[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2013，20（2）：100-106.

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

[9]余同希，邱信明.沖擊動(dòng)力學(xué)[M].北京∶清華大學(xué)出版社，2011：47.