鋁合金壓縮狀態下近似屈服強度的測定方法

閆 明，董陽華，王一焱

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇常州 213025)

屈服強度是金屬材料抵抗外力防止發生微量塑性變形的應力，也是最直觀表現金屬材料承載能力的重要指標，因此準確的計算和測量金屬材料的屈服強度是力學性能檢驗的基礎工作[1]。一般來講，金屬材料在拉伸狀態和壓縮狀態下所表現出的性能存在一定差異，在產品設計階段需全面分析產品實際工況下的受力狀態，從而選擇合適的力學參數作為選材依據。選材時，金屬材料最重要的力學性能參數是抗拉強度和屈服強度，若實際工況下主承壓應力的產品仍以此法選材則存在一定的盲目性和安全隱患，因此，明確不同狀態下材料的屈服強度，加深對金屬材料屈服強度進行研究是十分必要的[2]。本文將以3A21 鋁合金作為研究對象，探究3A21 鋁合金材料在壓縮狀態下近似屈服強度的測定方法。

1 常規屈服強度的測定方法

1.1 明顯屈服材料

明顯屈服是指材料在承受的應力大于一定數值后，雖應力不再增加，但材料仍然發生變形的現象。通常來講在拉伸曲線上會出現明顯的屈服平臺，屈服強度一般通過拉伸試驗的“應力-應變”曲線來計算，在屈服階段，應力首次下降前的最大應力稱為上屈服力，應力保持不變時的力稱為屈服力，不計瞬時效應的屈服階段最小應力稱為下屈服力，與試樣截面積的比值即為上屈服強度、屈服強度和下屈服強度[3]。

1.2 無明顯屈服材料

一些金屬材料由于其內部塑性變形存在非同時性，導致材料在受力時觀測不到明顯的屈服現象，這類材料稱為無明顯屈服材料。這類材料的屈服強度的傳統測定方法為通過拉伸試驗獲得“力-延伸”曲線，通過作輔助線與曲線的相交的截點確定所求規定非比例延伸強度的應力（產生0.2%殘余變形時的應力），與試樣截面積的比值即為非比例延伸強度Rp0.2。GB/T228-2010 金屬材料室溫拉伸試驗方法中詳細要求了滯后環法、逼近法、平行線法等作圖方法，試驗人員可自行判斷曲線形狀選擇最合適的方法來確定屈服強度[4]。高端萬能材料試驗機也可通過引伸計傳導形變數據至計算機自動計算Rp0.2，相比于畫圖法既提高了工作效率也提高了準確性。

1.3 微觀計算模型

除以上通過拉伸試驗來測定屈服強度的一般方法外，對于鋁合金時效強化前后組織變化與力學性能的研究，人們為探索二者之間的關系，建立了不同的強度計算模型，力學性能的差異性在微觀上主要表現在微觀組織種類、大小和數量的區別，因此在計算模型上，自變量主要為材料內部組織尺寸、剪切模量、合金濃度等參數[5-10]。該方法主要目的在于研究材料內部微觀變化與力學性能之間關系，由于其計算和試驗過程復雜，一般不用于成熟產品的力學性能檢測。

2 壓縮態下近似屈服強度的測定方法

2.1 試樣制備

壓縮試樣材料選用3A21 鋁合金，屬于鋁-錳二元合金，無法通過熱處理強化，只能通過冷加工方法提高力學性能，除此之外還具有較好的耐蝕性、塑性、焊接性，是一種綜合性能較好的中等強度鋁合金[11-12]。3A21 鋁合金材料無明顯屈服現象，拉伸試驗下通過測量其規定非比例延伸強度或規定殘余伸長應力計算其屈服強度Rp0.2。材料成分通過布魯克Q4TASMAN 火花直讀光譜儀檢測，化學成分如表1 所示。

表1 3A21 鋁合金的化學成分 ωB/%

由于試驗方法與常規壓縮試驗不同，因此試樣也無法完全按照GB/T 7314-2005 金屬材料室溫壓縮試驗方法中要求制備，但受壓區尺寸與試樣形位公差仍按標準進行設計，試樣尺寸如圖1 所示。

圖1 壓縮試樣

為保證每次對試樣施加應力的面積相同，將試驗壓頭制成如圖2 所示尺寸，壓頭材料Cr12，硬度60HRC。

2.2 試驗方法

圖2 壓頭

由于3A21 鋁合金材料在受壓應力狀態下無明顯屈服現象，難以通過壓縮曲線直接獲得屈服強度，本試驗方法為通過對比壓縮試驗前后試樣表面平面度的變化來確定使材料發生永久塑性變形時所受最小應力，壓縮試驗前使用Croma8126橋式測量機記錄所有試樣待壓表面平面度，采點位置如圖3、4 所示，設備誤差0.001mm。

圖3 壓縮前采點

圖4 壓縮后采點

使用CTM9100 萬能材料試驗機完成壓縮試驗，室溫20℃，設定橫梁位移速度1mm/min（壓縮試驗下實際位移速度小于1mm/min），達到預設應力時，橫梁停止，保壓30s 后停止試驗，每塊試樣只進行一次壓縮試驗，試驗后再次測量試樣表面平面度，記錄平面度的變化量，根據平面度變化情況調整應力大小，直至測出平面度發生明顯變化時所承受的應力值。

2.3 試驗結果與分析

試驗機在試驗過程中存在過沖現象，即設備達到預設應力后無法立即停止并保持該應力狀態，實際情況為試驗機停止時最大應力略大于預設應力，且實際應力會隨保壓時間逐漸降低，壓縮試驗結果如表2 所示。

圖5 壓縮試驗

表2 壓縮試驗結果

平面度變化與應力大小之間的關系如表3 所示，試樣表面的平面度變化量隨應力的增加而變大，當試樣所受應力小于73.84MPa 時，試樣表面平面度并未發生明顯變化，因此基本可以確定該3A21 鋁合金材料在壓縮狀態下的近似屈服強度為73.84MPa。

表3 平面度隨應力變化情況

3 結束語

通過此方法可以較快地測定3A21 鋁合金受壓狀態下的近似屈服強度，對于主要承受壓應力的產品，通過壓縮試驗模擬實際工況，獲取材料表面發生微小變形時所需最小應力值，相比于材料的拉伸強度和拉伸狀態下的屈服強度，該方法測量出的結果更貼近于實際，較好的表現應力與平面度之間的變化關系，同理，針對于其他無明顯屈服強度或實際工況下主承受壓應力的材料，應用此試驗方法可快速測量材料的近似屈服強度數值，為產品設計人員提供更加準確的選材依據。