6061鋁合金室溫與150 ℃單軸棘輪行為實(shí)驗(yàn)研究

謝東洋， 陳愛(ài)軍， 董亞偉

（南京理工大學(xué) 理學(xué)院，南京210094）

0 引 言

材料受到非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形的循環(huán)累積，這種現(xiàn)象稱(chēng)為棘輪效應(yīng)。工程實(shí)際問(wèn)題中的構(gòu)件產(chǎn)生棘輪效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命減少，甚至?xí)?dǎo)致構(gòu)件的變形超限而提前報(bào)廢，這是構(gòu)件的壽命評(píng)估和結(jié)構(gòu)可靠性分析必須考慮的因素。要解決這項(xiàng)難題，必須要系統(tǒng)地研究材料的循環(huán)變形，探究材料應(yīng)變控制循環(huán)的相關(guān)特性和應(yīng)力控制循環(huán)的棘輪行為，進(jìn)而建立相關(guān)的循環(huán)塑性本構(gòu)模型去準(zhǔn)確預(yù)測(cè)棘輪變形。近30年來(lái)，為了探索金屬材料的棘輪行為，學(xué)者們開(kāi)展了大批實(shí)驗(yàn)研究和各類(lèi)本構(gòu)模型研究，使棘輪行為的研究得到了發(fā)展[1-3]。目前，對(duì)棘輪效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究主要有以下幾類(lèi)：在應(yīng)力狀態(tài)方面，分為單軸棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和多軸棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；在應(yīng)力水平方面，通過(guò)改變平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，研究應(yīng)力水平對(duì)棘輪效應(yīng)的影響；在溫度方面，在不同的溫度[4]下開(kāi)展了大量的棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；在材料方面，對(duì)各類(lèi)金屬、合金[5]及復(fù)合材料[6]等開(kāi)展了大量的棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；此外，還在腐蝕環(huán)境[7]、蠕變[8]、時(shí)間相關(guān)性[9]等方面開(kāi)展了棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在棘輪效應(yīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值是影響材料棘輪行為的主要因素[10]之一，大部分實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展均是通過(guò)控制平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值加載條件，來(lái)討論材料的棘輪行為。然而關(guān)于材料的應(yīng)變循環(huán)特性和棘輪行為受加載歷史影響的研究比較缺乏，并且對(duì)非室溫環(huán)境下材料棘輪行為的研究也不夠深入，對(duì)于全面揭示材料棘輪行為來(lái)說(shuō)，這些方面仍然需要大力發(fā)展。因此，本文對(duì)6061鋁合金分別進(jìn)行室溫與150 ℃的單軸應(yīng)變循環(huán)加載和單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，探究了6061鋁合金在室溫與150 ℃下分別具有怎樣的單軸應(yīng)變循環(huán)特性和單軸棘輪行為，同時(shí)也為今后關(guān)于塑性循環(huán)本構(gòu)模型方面的理論研究工作提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)材料為6061鋁合金棒材，機(jī)械加工前，首先對(duì)6061鋁合金進(jìn)行T6熱處理，即6061鋁合金先經(jīng)535 ℃保溫6 h，后經(jīng)90 ℃的水中淬火至少5 min，再經(jīng)165 ℃低溫爐時(shí)效4 h。6061鋁合金經(jīng)過(guò)T6熱處理后進(jìn)行機(jī)械加工，試樣形狀為單軸實(shí)心圓棒，其尺寸如圖1所示。室溫實(shí)驗(yàn)試樣標(biāo)距段的長(zhǎng)度為18 mm，標(biāo)距段的直徑為6 mm；150℃實(shí)驗(yàn)試樣標(biāo)距段的長(zhǎng)度為30 mm，標(biāo)距段的直徑為10 mm。6061鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 單軸實(shí)心圓棒的6061鋁合金試樣尺寸

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用MTS809-25kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)，其控制系統(tǒng)為T(mén)estStar控制器。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Window NT，使用TestWare/SX作為MTS應(yīng)用軟件。采用MTS653系統(tǒng)作為高溫發(fā)生與控制設(shè)備，軸向均溫區(qū)范圍為50 mm，在均溫區(qū)范圍以?xún)?nèi)的溫度梯度為±5 ℃，溫度控制精度為±1℃。采用單軸應(yīng)變引伸計(jì)進(jìn)行常溫應(yīng)變的測(cè)量，標(biāo)距為5 mm，采用高溫應(yīng)變引伸計(jì)進(jìn)行高溫應(yīng)變的測(cè)量，標(biāo)距為25 mm，MTS載荷傳感器及應(yīng)變引伸計(jì)的測(cè)量精度均為0.5級(jí)。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)控制和數(shù)據(jù)采集。在沒(méi)有特別指出時(shí)，本文應(yīng)變控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)中：應(yīng)變率即控制應(yīng)變改變的速率均為2×10-3/s；非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力率即控制應(yīng)力改變的速率均為100 MPa/s。本文中，σa代表響應(yīng)應(yīng)力幅值，定義為σa=（σmax+σmin）/2，棘輪應(yīng)變用εr表示，定義為εr=（εmax+εmin）/2。其中：σmax、σmin分別表示在實(shí)驗(yàn)每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應(yīng)力；εmax、εmin分別表示在實(shí)驗(yàn)每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應(yīng)變。此外，在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，棘輪應(yīng)變率表示后一周循環(huán)相比于前一周循環(huán)時(shí)棘輪應(yīng)變?chǔ)舝的改變量，定義為dεr/dN。

2 室溫與150 ℃的力學(xué)性能

為了解T6熱處理后6061鋁合金的基本力學(xué)性能，并為后續(xù)的循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)制定合理的應(yīng)力/應(yīng)變工況提供參考的單拉曲線(xiàn)，首先在室溫下對(duì)6061鋁合金進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。圖2（a）給出了6061鋁合金在不同應(yīng)變率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的單軸拉伸曲線(xiàn)，圖2（b）給出了6061鋁合金在變應(yīng)變率（每拉伸0.02的應(yīng)變時(shí)改變一次應(yīng)變率，應(yīng)變率改變順序?yàn)?×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）下的單軸拉伸曲線(xiàn)。從圖中可以看出，6061鋁合金沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái)，不同應(yīng)變率下材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線(xiàn)有所不同。這說(shuō)明6061鋁合金在室溫下體現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性，應(yīng)變率低時(shí)材料響應(yīng)應(yīng)力較高。

圖2 室溫環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線(xiàn)

為了與室溫下材料的力學(xué)性能進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而在150℃下對(duì)6061鋁合金進(jìn)行了單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。圖3（a）給出了150 ℃下不同應(yīng)變率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的單軸拉伸曲線(xiàn)，圖3（b）給出了150 ℃下變應(yīng)變率（每拉伸0.02的應(yīng)變時(shí)改變一次應(yīng)變率，應(yīng)變率改變順序?yàn)?×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）的單軸拉伸曲線(xiàn)。從圖中可以看出，6061鋁合金在150 ℃時(shí)也體現(xiàn)了一定的應(yīng)變率敏感性，但是150 ℃下應(yīng)變率高的材料應(yīng)力響應(yīng)略大，這與常溫時(shí)的特性截然相反。如圖3（b）所示，當(dāng)應(yīng)變從約0.06增到約0.08時(shí)，材料出現(xiàn)了失穩(wěn)變形，這是因?yàn)榇藭r(shí)的材料變形開(kāi)始形成頸縮而使面積減小。

圖3 150 ℃環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線(xiàn)

3 室溫與150 ℃的單軸應(yīng)變循環(huán)特性

為了揭示6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性，在室溫和150 ℃下分別開(kāi)展了兩類(lèi)單軸應(yīng)變控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)：1）平均應(yīng)變恒定，改變應(yīng)變幅值的多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)；2）應(yīng)變幅值恒定，改變平均應(yīng)變的多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)。

3.1 兩種溫度下應(yīng)變幅值的影響

為討論應(yīng)變幅值對(duì)材料循環(huán)變形行為的影響，通過(guò)改變應(yīng)變幅值，在室溫和150 ℃下分別開(kāi)展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)的多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)研究。圖4給出了室溫下平均應(yīng)變?yōu)?，應(yīng)變幅值歷史為①±0.6%（100 c）→②±0.8%（100 c）→③±0.6%（50 c）的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果（c表示循環(huán)周次，下同）。圖5給出了150 ℃下平均應(yīng)變?yōu)?，應(yīng)變幅值歷史為①±0.4%（100 c）→②±0.6%（100 c）→③±0.4%（50 c）的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4可以看出，室溫條件，在加載工況①下，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的累積趨于穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)變幅值從0.6%增加到0.8%時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值增大，循環(huán)幾周后，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的累積迅速趨于穩(wěn)定。此時(shí)穩(wěn)定后的響應(yīng)應(yīng)力幅值大于先前0.6%循環(huán)時(shí)穩(wěn)定后的響應(yīng)應(yīng)力幅值，這表明在室溫條件下，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到應(yīng)變幅值大小的影響。當(dāng)應(yīng)變幅值從0.8%減小到0.6%時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值減小，同時(shí)材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進(jìn)行持續(xù)地減小，說(shuō)明先前較大應(yīng)變幅值（±0.8%）循環(huán)加載對(duì)后續(xù)較小應(yīng)變幅值的循環(huán)產(chǎn)生了較為明顯的影響，材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特性。從圖5可以看出，150 ℃條件，在應(yīng)變幅值很小（0.4%）時(shí)，在前幾周循環(huán)中6061鋁合金的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進(jìn)行而增大，后續(xù)循環(huán)中材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值趨于穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)變幅值增加到0.6%時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值增大，而后材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進(jìn)行迅速趨于穩(wěn)定。因此，6061鋁合金在150 ℃的應(yīng)變循環(huán)依賴(lài)于應(yīng)變幅值的大小。當(dāng)應(yīng)變幅值從0.6%降到0.4%時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值明顯下降，在后續(xù)循環(huán)中，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進(jìn)行不斷增大，說(shuō)明6061鋁合金在150℃下的循環(huán)變形受到先前較大應(yīng)變幅值（0.6%）循環(huán)加載的影響，材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。對(duì)比圖4和圖5，室溫和150 ℃條件下改變應(yīng)變幅值的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)中可以看出，相同點(diǎn)在于，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值在兩種溫度下均隨著應(yīng)變幅值的增加而增大，且均受到較大應(yīng)變幅值加載歷史的影響；而不同點(diǎn)在于，材料受到較大應(yīng)變幅值加載后，室溫下材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性，而150 ℃下材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。實(shí)驗(yàn)表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到應(yīng)變幅值大小及其加載歷史的顯著影響。

圖4 室溫條件下應(yīng)變幅值加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線(xiàn)

圖5 150 ℃條件下應(yīng)變幅值加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線(xiàn)

3.2 兩種溫度下平均應(yīng)變的影響

為討論平均應(yīng)變對(duì)材料循環(huán)變形行為的影響，通過(guò)改變平均應(yīng)變，在室溫和150 ℃下分別開(kāi)展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)的多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)研究。圖6給出了室溫條件下應(yīng)變幅值恒定為±0.6%，改變平均應(yīng)變的應(yīng)變控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果。加載工況如下：①±0.6%（100 c）→②1%±0.6%（100 c）→③±0.6%（50 c）。圖7給出了150 ℃下應(yīng)變幅值恒定為±0.7%，改變平均應(yīng)變的應(yīng)變控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果。加載工況如下：①±0.7%（100 c）→②1±0.7%（100 c）。由圖6可知，室溫條件，對(duì)比加載工況③和加載工況①可以看出，經(jīng)過(guò)較大平均應(yīng)變循環(huán)（加載工況②）后，加載工況③的響應(yīng)應(yīng)力幅值高于加載工況①的響應(yīng)應(yīng)力幅值，說(shuō)明后續(xù)較小平均應(yīng)變（加載工況③）的循環(huán)受到了先前較大平均應(yīng)變（加載工況②）的循環(huán)的影響。從圖7 可以看出，150 ℃條件，在加載工況①時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進(jìn)行趨于穩(wěn)定。當(dāng)平均應(yīng)變從0增加到1%時(shí)，在循環(huán)前期，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值仍然隨著循環(huán)的進(jìn)行趨于穩(wěn)定，然而，當(dāng)約170周循環(huán)后，材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值開(kāi)始迅速減小。實(shí)驗(yàn)表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到平均應(yīng)變及其加載歷史的一定程度的影響。

圖6 室溫條件下平均應(yīng)變加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線(xiàn)

圖7 150 ℃條件下平均應(yīng)變加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線(xiàn)

4 室溫與150 ℃的單軸棘輪行為

4.1 室溫下應(yīng)力水平大小的影響

為了揭示應(yīng)力水平大小對(duì)6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫下對(duì)6061鋁合金進(jìn)行兩類(lèi)單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。1）平均應(yīng)力恒定，改變應(yīng)力幅值的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)；2）應(yīng)力幅值恒定，改變平均應(yīng)力的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。

為討論應(yīng)力幅值對(duì)6061鋁合金棘輪行為的影響，在平均應(yīng)力恒定的情形下，改變應(yīng)力幅值，在室溫下對(duì)6061鋁合金材料進(jìn)行了單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)。加載工況如下：①(40±320) MPa（1000 c）；②(40±330) MPa（1000 c）；③(40±340) MPa（1000 c），棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的演化曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可以看出，室溫條件，材料的棘輪應(yīng)變?cè)谇笆畮讉€(gè)循環(huán)周次內(nèi)增長(zhǎng)較快，在后續(xù)循環(huán)中，材料的棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而趨于穩(wěn)定；前幾周循環(huán)中，材料的棘輪應(yīng)變率迅速下降，后續(xù)循環(huán)基本保持不變。實(shí)驗(yàn)表明，室溫下應(yīng)力幅值大小對(duì)6061鋁合金材料的棘輪效應(yīng)產(chǎn)生了顯著的影響，當(dāng)平均應(yīng)力保持恒定，6061鋁合金材料的棘輪應(yīng)變隨應(yīng)力幅值的增加而增大。

圖8 平均應(yīng)力40 MPa不同應(yīng)力幅值的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率的演化

為討論平均應(yīng)力對(duì)6061鋁合金棘輪行為的影響，在應(yīng)力幅值恒定的情形下，改變平均應(yīng)力，在室溫下對(duì)6061 鋁合金材料進(jìn)行了單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)。加載工況如下：①(40±320)MPa（1000 c）；②(50±320) MPa（1000 c）；③(60 ±320) MPa（1000 c），棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的演化曲線(xiàn)如圖9所示。從圖9可以看出，室溫下平均應(yīng)力大小對(duì)6061鋁合金材料的棘輪效應(yīng)產(chǎn)生了顯著的影響，當(dāng)應(yīng)力幅值保持恒定，6061鋁合金材料的棘輪應(yīng)變隨平均應(yīng)力的增加而增大。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，室溫條件下，6061鋁合金的棘輪應(yīng)變隨著應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力的增大而增大，此結(jié)論與鎂合金[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4.2 兩種溫度下應(yīng)力幅值加載歷史的影響

為了揭示應(yīng)力幅值加載歷史對(duì)6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫與150 ℃分別進(jìn)行了平均應(yīng)力恒定、應(yīng)力幅值改變的單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)。

平均應(yīng)力恒定為20 MPa，改變應(yīng)力幅值，在室溫下進(jìn)行了如下工況的非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)：①(20±340) MPa（200 c）→②(20±350) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。恒定平均應(yīng)力為30 MPa，改變應(yīng)力幅值，在150 ℃下進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)：①(30±300) MPa（100 c）→②(30±310) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖10中可以看出，室溫條件下在加載工況①時(shí)，棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當(dāng)應(yīng)力幅值從340 MPa增加到350 MPa時(shí)，棘輪應(yīng)變?cè)龃螅㈦S著循環(huán)周次的增加線(xiàn)性增長(zhǎng)。保持平均應(yīng)力不變，減小應(yīng)力幅值到340 MPa時(shí)，棘輪應(yīng)變?nèi)匀辉龃蟆１容^加載工況①和加載工況③，加載的應(yīng)力水平均為(20±340) MPa，然而在經(jīng)過(guò)較大的應(yīng)力幅值（加載工況②）的循環(huán)加載之后，在后續(xù)應(yīng)力幅值循環(huán)（加載工況③）時(shí)的棘輪應(yīng)變比沒(méi)有經(jīng)過(guò)較大應(yīng)力幅值循環(huán)（加載工況①）的棘輪應(yīng)變要大。從圖11中可以看出，6061鋁合金在150 ℃時(shí)的演化規(guī)律同室溫下的演化規(guī)律類(lèi)似。然而與室溫下不同的是，150℃條件下在加載工況②時(shí)，材料的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)的進(jìn)行在增大，然而增大的速率在降低，即棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的增加在逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力幅值從310 MPa減小到300 MPa時(shí)，材料的棘輪應(yīng)變率幾乎為零，材料的棘輪應(yīng)變趨于穩(wěn)定。當(dāng)經(jīng)歷了較大的應(yīng)力幅值循環(huán)（加載工況②）后，后續(xù)應(yīng)力幅值循環(huán)（加載工況③）的棘輪應(yīng)變相比于沒(méi)有經(jīng)歷較大應(yīng)力幅值循環(huán)（加載工況①）時(shí)的棘輪應(yīng)變要大，后續(xù)應(yīng)力循環(huán)受到先前較大應(yīng)力幅值循環(huán)的顯著影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6061鋁合金材料在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴(lài)于應(yīng)力幅值大小及其加載歷史。

圖9 應(yīng)力幅值320MPa不同平均應(yīng)力的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率的演化

4.3 兩種溫度下平均應(yīng)力加載歷史的影響

為了揭示平均應(yīng)力加載歷史對(duì)6061鋁合金單軸棘輪行為的影響，在室溫與150 ℃分別進(jìn)行了應(yīng)力幅值恒定，平均應(yīng)力改變的單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)。

圖10 室溫條件下應(yīng)力幅值加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線(xiàn)

圖11 150 ℃條件下應(yīng)力幅值加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線(xiàn)

恒定應(yīng)力幅值340 MPa，改變平均應(yīng)力，在室溫下進(jìn)行了如下工況的非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)多級(jí)加載實(shí)驗(yàn)：①(20±340) MPa（200 c）→②(30±340) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。恒定應(yīng)力幅值300 MPa，改變平均應(yīng)力，在150 ℃下進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)：①(30±300) MPa（100 c）→②(40±300) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖12可知，室溫條件，在加載工況①時(shí)，棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當(dāng)平均應(yīng)力從20 MPa增 加 到 30 MPa時(shí)，棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率均增大，而棘輪應(yīng)變率在加載工況②的后續(xù)循環(huán)中逐漸減小。保持應(yīng)力幅值不變，減小平均應(yīng)力到20 MPa時(shí)，棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)的進(jìn)行趨于穩(wěn)定。比較加載工況①和加載工況③，加載的應(yīng)力水平均為(20±340) MPa，然而，在經(jīng)過(guò)較大的平均應(yīng)力（加載工況②）的循環(huán)加載之后，在后續(xù)平均應(yīng)力下循環(huán)（加載工況③）時(shí)的棘輪應(yīng)變比沒(méi)有經(jīng)過(guò)較大平均應(yīng)力循環(huán)（加載工況①）的棘輪應(yīng)變要大。由圖13可知，6061 鋁 合金在150 ℃時(shí)的棘輪行為與室溫下的棘輪行為類(lèi)似：棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的累積和平均應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)經(jīng)歷了較大平均應(yīng)力循環(huán)（加載工況②）后，后續(xù)平均應(yīng)力循環(huán)（加載工況③）時(shí)的棘輪應(yīng)變相比于沒(méi)有經(jīng)歷較大平均應(yīng)力循環(huán)（加載工況①）時(shí)的棘輪應(yīng)變要大。實(shí)驗(yàn)研究表明，6061鋁合金在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴(lài)于平均應(yīng)力的大小及其加載歷史。

圖12 室溫條件下平均應(yīng)力加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線(xiàn)

圖13 150 ℃條件下平均應(yīng)力加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

在室溫和150 ℃條件下，采用6061鋁合金試樣，開(kāi)展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)，探究了材料的單軸應(yīng)變循環(huán)特性；開(kāi)展了單軸非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)，探究了材料的單軸棘輪行為，得出了如下結(jié)論：

1）單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，在室溫和150 ℃下，6061鋁合金均體現(xiàn)了一定的應(yīng)變率敏感性。不同的是，室溫條件下，應(yīng)變率低時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力較高；150 ℃條件下，應(yīng)變率高時(shí)，材料的響應(yīng)應(yīng)力較高。

2）應(yīng)變控制循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中，在室溫和150 ℃下，6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性均依賴(lài)于應(yīng)變幅值大小及其加載歷史；平均應(yīng)變大小及其加載歷史對(duì)6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性有一定程度的影響。

3）非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力控制循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中，室溫下6061鋁合金的單軸棘輪應(yīng)變隨著應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力的增大而增大；在室溫和150 ℃下，6061鋁合金的單軸棘輪行為均依賴(lài)于應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力及其加載歷史。