汽車覆蓋件采用變形鋁合金材料的研究

曾鷹

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122 )

0 引言

汽車輕量化是節(jié)能減排的一項重要措施。據(jù)不完全統(tǒng)計， 2016年我國汽車保有量1.95億輛，其中小客車超過了1.46億輛，約占全國汽車總擁有量的75%。由此可見：解決了小客車輕量化問題，對國家節(jié)能減排有著十分重要的現(xiàn)實意義[1]。

當(dāng)前汽車發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋、曲軸箱、變速箱殼體等許多零部件已由黑色金屬改為了密度較小的鋁合金材料，但是車身、門等覆蓋件仍用鋼板制成。如何找到一種輕金屬材料，或者再通過熱處理手段，既能滿足覆蓋件的性能要求，又能采用原來的低成本、高效率的冷壓成型工藝生產(chǎn)，是作者的研究目標(biāo)。根據(jù)汽車覆蓋件對材料的技術(shù)要求：必須同時具備高強(qiáng)度、高斷裂韌度。因此選材、材料性能優(yōu)化、時效工藝、檢測手段等是作者重點(diǎn)研究的任務(wù)[2-6]。

1 覆蓋件的安全性

把傳統(tǒng)和現(xiàn)代固體力學(xué)結(jié)合起來，保證覆蓋件的安全性。

(1)傳統(tǒng)的固體力學(xué)性能指標(biāo)不能完全反映材料的真實性

傳統(tǒng)的固體力學(xué)理論是建立在微小變形、均勻連續(xù)性和各向同性3個假定的基礎(chǔ)上，認(rèn)為材料是完整無缺陷的[7]。現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)金屬材料微觀組織實際上存在著許多缺陷，如：存在著晶內(nèi)和晶間的微觀缺陷、氣孔、夾渣、裂紋等各種不同的缺陷。這些缺陷在工作中將會逐漸發(fā)展、擴(kuò)大，隨著工作時間的增長就會造成材料或結(jié)構(gòu)的破壞。例如按傳統(tǒng)固體力學(xué)的強(qiáng)度理論：只要載荷應(yīng)力σ不超過構(gòu)件的許容應(yīng)力[σ]，即σ≤[σ]，就能保證結(jié)構(gòu)安全工作[8-9]。許容應(yīng)力是由極限強(qiáng)度(或屈服極限)留出一定的安全余量來確定的，即：

[σ]=σb/K或[σ]=σs/K

∴K=σb/[σ]

式中：K為安全系數(shù)。

計算越準(zhǔn)確，σ就越接近[σ]的值，K值就越小，也就能發(fā)揮材料的潛力。按[σ]=σb/K的設(shè)計原則，材料的強(qiáng)度越高，對相同載荷來說就越安全。但實際上所發(fā)生的大量事故表明：材料所受載荷沒有超過許容應(yīng)力就產(chǎn)生了斷裂，甚至破壞失效，所以強(qiáng)度高并不一定就安全。相反，有些強(qiáng)度高的材料，塑性和韌性一般都比較低，反而容易產(chǎn)生斷裂。這樣，高強(qiáng)度材料的破斷就歸因于韌性不足。然而韌性本來足的材料，由于外界條件的變化，如溫度降低、加速度提高，在疲勞和腐蝕介質(zhì)等的作用下，也會出現(xiàn)脆性斷裂的問題。以上討論充分地說明了傳統(tǒng)的固體力學(xué)理論和力學(xué)性能指標(biāo)是有缺陷的，不能完全反映材料的真實性。

(2)斷裂力學(xué)的應(yīng)用

近幾十年來，科學(xué)家們對材料進(jìn)行了大量的試驗和研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的固體力學(xué)存在許多缺陷。他們對原固體力學(xué)公式和力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了糾正和補(bǔ)充，建立了現(xiàn)代固體力學(xué)。

斷裂力學(xué)是現(xiàn)代固體力學(xué)的重要組成部分，它主要是研究材料或構(gòu)件的斷裂問題。斷裂力學(xué)研究表明[10]：材料在許容應(yīng)力范圍內(nèi)的斷裂與材料的缺陷、裂紋的存在、裂紋在給定條件下能否擴(kuò)展和怎樣擴(kuò)展有關(guān)；如何擴(kuò)展主要決定于裂紋尖端所能允許(應(yīng)變)的最大限度。自身有裂紋的材料在外力的作用下，裂紋有可能擴(kuò)展，與此同時也必然會產(chǎn)生一種抵抗裂紋擴(kuò)展的力，這個力稱為“斷裂韌度”。從大量含有裂紋材料的拉斷試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所加的外力與裂紋長度的方根呈反比關(guān)系，即：

(1)

式中：σ為所加的應(yīng)力(MPa)；a為裂紋長度(m)；K為應(yīng)力場強(qiáng)度因子，它表示在給定條件下裂紋尖端抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。在沒有破斷前，K隨σ和a的增大而增大；當(dāng)σ或a增到臨界值σc或ac時(要斷裂還沒有斷裂的裂紋長度)的K值稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc或KΙc。這時式(1)便可寫成：

(2)

(3)

就一定的材料而言，σc、ac，Kc、KΙc都是一定值：Kc和KΙc都是表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的最大能力，所以習(xí)慣上又把它們稱作斷裂韌度，低于這個值就不斷裂，高于這個值就斷裂。Kc表示裂紋處于平面應(yīng)力狀態(tài)的斷裂韌度，稱為平面應(yīng)變臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子；KΙc表示裂紋處于平面應(yīng)變狀態(tài)的斷裂韌度，稱為平面應(yīng)變臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，一般稍厚的材料都處于平面應(yīng)變狀態(tài)。例如：飛機(jī)等結(jié)構(gòu)上厚材料用得較多，加桁條、結(jié)構(gòu)架等，所以KΙc也用得較多。

斷裂韌度與傳統(tǒng)的強(qiáng)度、韌度參量的概念及性質(zhì)完全不同：傳統(tǒng)的強(qiáng)度、韌度參量指標(biāo)是彼此分開的。強(qiáng)度指標(biāo)是對材料標(biāo)準(zhǔn)試樣在均勻加載下測試出來的數(shù)據(jù)，沖擊韌性是對試棒用錘一次性敲斷測得的，它們都是參考性對照指標(biāo)。而斷裂韌度(Kc、KΙc)既可以是強(qiáng)度指標(biāo)，又可以是韌度指標(biāo)。應(yīng)用斷裂韌度值，既可以具體地計算出構(gòu)件斷裂時的應(yīng)力，又可以計算出允許存在的裂紋長度：a≈(KΙc/σc)2。

2 選用“ASTM E 6156”變形鋁合金作汽車覆蓋件的依據(jù)

從美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(American National Standards Institute，ANSI)編輯的有關(guān)“變形鋁及變形鋁合金”資料中可知：美國“ASTM E 6156”鋁合金是Al-Mg-Si-Cu系可焊、可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性、高的損傷容限，廣泛應(yīng)用于航空器材的結(jié)構(gòu)件，如機(jī)身腹部結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)[11-12]。

近代工業(yè)特別是航空和宇航事業(yè)的高速發(fā)展，使鋁合金薄板材料得到廣泛應(yīng)用[7]。要進(jìn)行斷裂控制，必須要知道材料的平面應(yīng)力斷裂韌度Kc值。如果汽車覆蓋件改為變形鋁合金薄板構(gòu)件，同樣也要用KIc數(shù)值作為設(shè)計依據(jù)，必須通過材料、工藝試驗掌握材料在怎樣的狀態(tài)下才能獲得較好的、較高的強(qiáng)度和韌度，使汽車更安全。

3 材料試驗及熱處理工藝

3.1 試驗方案

實驗用ASTM E 6156鋁合金板材，厚度為3.6 mm(包鋁)，初始狀態(tài)為T4(固溶處理加自然時效)狀態(tài)，化學(xué)成分如表1所示，具體熱處理工藝(T4表示固溶處理加自然時效；T6表示固溶處理加人工時效)如表2所示。

表1 6156鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 6156合金的不同時效參數(shù)

注： “時效狀態(tài)”是指材料已經(jīng)過固溶處理后的時效狀態(tài)。

試樣參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E561[13]設(shè)計成緊湊拉伸試樣，在MTS810-100KN型試驗機(jī)上進(jìn)行6156鋁合金板材沿軋向(L-T)和橫向(T-L)的平面應(yīng)力斷裂韌性測試。試樣厚度為B，寬度為W。試驗前先參照6156鋁合金板材縱向和橫向的屈服強(qiáng)度選取預(yù)制載荷，預(yù)制1.5 mm疲勞裂紋，再用配有CCD的讀數(shù)顯微鏡跟蹤觀察裂紋的擴(kuò)展。由于試樣很薄，加載過程中必須有防翹曲裝置，通過兩次加載后的p-v曲線斜率是否有分歧來檢測有無翹曲。

3.2 試驗結(jié)果

(1)拉伸性能及斷裂韌性

表3 不同時效工藝下T-L方向6156鋁合金斷裂韌性試驗結(jié)果

L-T取樣方向的6156-T6PA態(tài)合金板材也制備了3個試樣，用3個試驗結(jié)果的平均值計算得到的斷裂韌度值如表4所示。

表4 L-T方向6156-T6PA態(tài)合金斷裂韌性試驗結(jié)果

(2)KIc斷口形貌及分析

斷裂力學(xué)的主要任務(wù)是對材料裂紋體進(jìn)行力學(xué)分析，尋求能使材料阻止裂紋擴(kuò)展性能的參量——斷裂韌性。平面應(yīng)力斷裂韌性Kc建立在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，由于材料裂紋尖端處在塑性區(qū)，為了使線彈性斷裂力學(xué)的分析仍然有效，裂紋尺寸a，試樣厚度B及部件尺寸W-a必須滿足：B<2.5×(Kc/σs)2，2a/W約為0.35～0.50，W-a≥4/π×(Kc/σys)2[10-13]。對a的要求是為了滿足線性，而對B及W-a的要求則是為了滿足平面應(yīng)力狀態(tài)。不同取樣方向和熱處理工藝下的實驗結(jié)果均滿足斷裂韌性有效性判據(jù)。

圖1所示為不同時效工藝的6156合金T-L取向的斷裂韌性在過載區(qū)的斷口形貌。

圖1 不同時效工藝的6156合金T-L取向的斷裂韌性之?dāng)嗫谛蚊?/p>

可以看出:6156合金屬于塑性韌窩狀斷裂，斷口以穿晶開裂為主，兼有少量的沿晶開裂;斷口上韌窩的分布具有方向性，沿著擠壓變形方向成串平行排列，同時韌窩沿裂紋擴(kuò)展方向被拉長;T4態(tài)的韌窩的平均尺寸最大，T6過時效態(tài)的韌窩的平均尺寸最小。而3種T6人工時效態(tài)中，欠時效的韌窩的平均尺寸最大，過時效的最小，峰時效居于二者之間。韌窩平均尺寸越大，說明其顯微組織的塑性越好，其斷裂韌性也就越好。另外，還可以看到在韌窩底部存在第二相粒子。合金塑性變形時在這些第二相質(zhì)點(diǎn)與基體的交界處萌生出孔洞或孔隙，產(chǎn)生微裂紋。裂紋擴(kuò)展后導(dǎo)致基體從質(zhì)點(diǎn)周圍斷開，最后在斷口上形成大小、深度各不相同的坑狀韌窩，而第二相質(zhì)點(diǎn)就留在韌窩底部。

圖2所示為T6峰時效態(tài)的6156合金在T-L和L-T取樣方向上斷裂韌性的斷口形貌。

圖2 T6峰時效態(tài)合金斷裂韌性的斷口形貌

可以看出:圖2(a1)和圖2(b1)為疲勞裂紋預(yù)制區(qū)形貌，呈現(xiàn)的疲勞條帶間距基本相同。圖2(a3)為T-L取向上的過載區(qū)形貌，其斷口上韌窩排列具有明顯的方向性，沿軋制方向，即L取向成串平行排列。這是由于T-L取向裂紋的擴(kuò)展方向與軋制變形方向一致，裂紋沿第二相粒子的排列方向擴(kuò)展，于是在斷口上留下與第二相粒子排列方向一致的韌窩。由于裂紋沿軋制方向擴(kuò)展的阻力小，擴(kuò)展過程中吸收的能量少，所以T-L取向合金的斷裂韌性較低。而當(dāng)裂紋取向為L-T時，裂紋擴(kuò)展方向垂直于軋制變形方向，也垂直于第二相粒子的排列方向，裂紋擴(kuò)展時，需穿過一排排相互平行的第二相粒子帶，因此擴(kuò)展阻力大，而且裂紋容易向軋制方向(阻力小的方向)偏折。圖2(b3)為L-T取向上的過載區(qū)形貌，其斷口上韌窩排列沒有明顯的方向性，斷口上穿晶開裂的比例大，其中撕裂棱和開裂粒子的數(shù)目較多，韌窩大且深，而且通常是大韌窩之中還有若干小韌窩。這些斷口形貌特征都說明:裂紋垂直于軋制變形方向擴(kuò)展時遇到的阻力大，擴(kuò)展所需的能量高，裂紋沿L-T取向擴(kuò)展時要吸收更多的能量，因此表現(xiàn)出L-T取向的斷裂韌性高于T-L取向的。

4 結(jié)論

(2)汽車覆蓋件本身是外觀件，所以都要求做嚴(yán)格的高檔涂裝，采用T4熱處理狀態(tài)是完全能滿足技術(shù)要求。由于T4狀態(tài)L-T方向、L-T方向合金的斷裂韌度(Kc)值都較高，因此選用ASTM E 6156變形鋁合金并進(jìn)行T4處理是完全可行的。