軋制鋁合金板材剪切與反剪切力學性能的研究*

陳 超，王志輝，彭 勇，簡忠武，樊新波

(1.湖南工業職業技術學院 汽車工程學院，湖南 長沙 410208；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

0 引言

鋁及鋁合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、塑性好等優點，是交通工具輕量化設計的優選材料之一，因而被廣泛應用于汽車、船舶、軌道車輛以及航空航天等領域，作為各領域設備的結構件、覆蓋件等使用。

為了研究薄金屬板材剪切力學性能，研究者們設計了不同的專用剪切試驗夾具來滿足不同的試驗需求[1-5]，但針對鋁合金受力變形后對剪切力學性能影響的研究甚少。本文借助自行設計、驗證、制造的剪切試驗裝置，研究幾種典型軋制鋁合金板材的單向剪切與預變形后的反剪切力學性能以及斷裂行為，為鋁合金構件實際工程應用過程中受大載荷后的損傷分析與研究提供參考。

1 試驗材料及過程

1.1 試驗材料

本試驗選擇了交通工具中常用的5052-H32、6061-T6、7075-T651三種牌號鋁合金板材作為研究對象，每種鋁合金有2mm、4mm、6mm三種厚度規格。其中板材剪切試樣沿軋制方向取樣，保證剪切方向、剪切刀刃均與板材的軋制方向垂直。

1.2 力學性能試驗方案

本文主要研究了不同厚度的三種牌號鋁合金板材的剪切與反剪切力學性能，并借助掃描電鏡分析試樣的斷口顯微組織。

其中剪切與反剪切試驗借助自行設計與制造的剪切試驗裝置，剪切裝置實物圖及剪切試樣關鍵尺寸如圖1所示。在進行單向剪切試驗時，將剪切試樣安裝在剪切裝置上后，直接在拉伸試驗機上進行測試；在反剪切試驗時，先將剪切試樣安裝在剪切裝置上并在拉伸試驗機上進行預剪切，當剪切位移達到1.6 mm后暫停試驗并取下試樣，然后將試樣反向安裝在剪切裝置上，并重新置于拉伸試驗機上剪切并記錄數據。

圖1 剪切裝置實物圖及剪切試樣尺寸圖

2 實驗結果分析與討論

2.1 單向剪切試驗結果分析

圖2為不同厚度三種鋁合金板材的單向剪切曲線。從圖2中可以看出：同種材質不同厚度的鋁合金板材出現剪切屈服的位移值不一樣；當板材厚度超過2 mm時，三種鋁合金板材均呈現出板材厚度越大，板材的剪切屈服點的位移值也就越大。圖3為不同厚度鋁合金板材的抗剪強度、位移變化曲線。從圖3中可以看出：在三種材質的鋁合金板材中，剪切強度高的材質，其剪切位移反而小；而且，隨著板材厚度的增加，三種鋁合金板材的抗剪強度均呈現出先增大再減小的變化規律。這主要是由于合金處于剪切應力條件下的大變形狀態，板材變形局部化程度高、時間短，金屬的形變強化的作用[6]。當板材厚度為4 mm時，合金的剪切形變強化作用比2 mm板材的強化作用更明顯，形變強化的效果高于軋制缺陷引起的板材性能衰減的效果，因此4 mm板材的剪切強度比2 mm板材的剪切強度更高；而當板材厚度為6 mm時，板材軋制缺陷引起的性能衰減效果大于板材剪切形變強化的效果，從而導致強度下降。

圖3 不同厚度鋁合金板材的抗剪強度、位移變化曲線

隨著板材厚度的增加，7075-T651鋁合金板材的最大位移逐漸增加；而5052-H32、6061-T6兩種強度相對較低的鋁合金板材的最大位移卻呈現出先減小后增大的趨勢；當板厚為6 mm時，三種鋁合金的剪切位移值均為最大值。造成上述最大位移變化的原因主要是由于2 mm厚的板材在剪切試驗的初期，低載荷力作用下即產生了較大的位移，導致三種鋁合金的剪切位移增大。而且，抗拉強度越低的鋁合金板材，此低載荷下產生的位移越大，如圖2中橢圓圈所標識的區域，而且在后面的反剪切試驗中也同樣存在該現象。

圖2 不同厚度三種鋁合金板材的剪切曲線

2.2 剪切-反剪切試驗結果與分析

圖4為剪切試樣反剪切試驗前后的實物圖。

圖4 剪切試樣反剪切試驗前后的實物圖

2.2.1 預剪切試驗結果與分析

圖5為鋁合金板材試樣預剪切變形后的殘余變形量，殘余變形量指的是剪切試樣上、下裝夾平面的垂直距離與剪切試樣原始板厚的差值。通過對圖5中的數據進行分析可知：在對5052-H32、6061-T6、7075-T651三種材質、不同厚度的鋁合金板材試樣進行預剪切變形后，隨著試樣板材厚度由2 mm增加至4 mm，三種材質的殘余變形均出現明顯下降，且材料強度越高，殘余變形降幅越大；當試樣板材厚度由4 mm增加至6 mm，5052-H32的殘余變形迅速增加，而6061-T6、7075-T651的殘余變形量繼續下降。此外，通過將圖5中各試樣殘余變形量與圖2的剪切曲線對比分析可以得出，當1.6 mm預變形位移超過鋁合金屈服點的位移值越多，預變形后殘余的變形量則越大。

圖5 三種鋁合金板材剪切試樣預剪切變形后的殘余變形量

2.2.2 反剪切試驗結果與分析

圖6為不同厚度的三種鋁合金板材預變形后反剪切試驗的剪切曲線，其與圖2的單向剪切試驗的剪切曲線的變化規律大體一致。

圖6 不同厚度三種鋁合金板材剪切試樣反剪切的剪切曲線

2.3 力學性能結果對比分析與討論

表1為三種鋁合金板材的標準拉伸、剪切以及剪切-反剪切的力學性能。

表1 鋁合金板材標準拉伸、剪切以及剪切-反剪切的力學性能

圖7為三種鋁合金板材單向剪切與剪切-反剪切的力學性能對比圖，其中剪切-反剪切試樣的剪切位移是絕對位移，其值等于剪切-反剪切試驗中的最大位移減預剪切的殘余變形量。鋁合金板材在經歷1.6 mm預變形后，反向安裝并加載時，呈現如下規律：

(1)從圖7中可以看出，厚度為2 mm的三種鋁合金板材在預剪切變形后的反剪切強度均明顯低于單向剪切強度[7]，其中6061-T6強度下降幅度最大，達到了16.15%，此種現象主要與反向加載后位錯塞積群發生滑移有關，這與Chen Xuanzhen等對2 mm厚的2A21-T4、5052-H32、6061-T6、7075-T651板材的平面預應變-反向剪切的試驗結果一致，四類鋁合金材料在預應變后反向加載，材料的剪切強度出現了不同程度的下降[8]；而當板材厚度為4 mm和6 mm時，預剪切變形對鋁合金剪切強度的影響不大，單向剪切與預變形后的反剪切強度的變化值均在1%，其中6 mm厚的三類鋁合金板材預剪切變形后的反剪切強度均高于單向剪切強度，但強度變化值均在1%。

(2)從圖7中可以看出，隨著板材厚度的增加，三種鋁合金的預剪切變形后的反剪切試驗與單向剪切試驗的剪切位移變化規律基本一致，當板材厚度為6 mm時，三種鋁合金的剪切位移值均是最大的。通過進一步分析可以發現，具有相對較高強度的6061-T6和7075-T651兩種鋁合金板材在經歷預剪切變形后，剪切-反剪切試驗的剪切位移均小于單向剪切的剪切位移。

圖7 三種鋁合金板材單向剪切與反剪切的力學性能對比圖 圖8 單向剪切強度與抗拉強度的比值

圖8、圖9分別為不同厚度的三種牌號鋁合金單向剪切強度與抗拉強度的比值、反剪切強度與抗拉強度的比值。從圖8和圖9中可以看出：①三種鋁合金的剪切強度與抗拉強度之比、預變形后的反剪切強度與抗拉強度的比值都隨著板材厚度的增加而增大，即厚度越大，其剪切強度、反剪切強度均越接近抗拉強度；②當板材厚度為4 mm、6 mm時，強度等級越低的鋁合金材料，其單向剪切強度與抗拉強度的比值、反剪切強度與抗拉強度的比值均越大。

圖9 反剪切強度與抗拉強度的比值

2.4 斷口形貌及組織分析

圖10為鋁合金板材單向剪切與反剪切的斷口形貌。從圖10中可以看出：5052-H32、6061-T6、7075-T651三類鋁合金板材的單向剪切斷口形貌存在較大差異；5052-H32的剪切斷口有明顯的拋物線形剪切韌窩，韌窩多且較深，這是由于板材在剪切力的作用下，顯微孔洞沿剪切方向上被拉長，其剪切斷裂形式為韌性斷裂；6061-T6的剪切斷口中有類似發生滑移的拋物線形，而且其拋物線的兩側邊基本與剪切時的拉伸方向平行，但與5052-H32的相比，韌窩明顯數量變少深度變淺；而7075-T651的剪切斷口是由眾多細小的剪切面組成，幾乎沒有拋物線形的剪切韌窩，即沒有空穴擴張和匯合的現象[9]。

圖10 鋁合金板材單向剪切與反剪切的斷口形貌

此外，通過對比單向剪切與預變形-反剪切的斷口SEM形貌可以看出，反剪切的斷口中單個滑移平面的面積明顯增大，而且滑移平面更加光滑、平整。這主要是受預變形的影響，預變形時形成了位錯塞積群或孔洞，在反剪切時上述區域更容易發生滑移、斷裂現象。該現象在厚度為2 mm的板材中體現得更加明顯，單向剪切與預變形-反剪切的斷口形貌有明顯的差異，而在4 mm、6 mm厚的板材中斷口形貌變化較小，這與前面圖7(a)中的鋁合金板材單向剪切與預變形-反剪切的力學性能變化規律相吻合。

3 結論

(1)在剪切變形強化和板材原始軋制缺陷的共同作用下，三種牌號鋁合金隨著板材厚度的增加，其抗剪強度均呈現出先增大再減小的變化規律。

(2)同種牌號不同厚度的鋁合金板材剪切屈服點對應的位移值不同，當預變形位移值超過鋁合金屈服點的位移值越多，預變形后殘余的變形量則越大。

(3)不同厚度的三種鋁合金反剪切曲線中的剪切力均發生動態時效。而且，當板材厚度為2 mm時，三種鋁合金的反剪切強度均明顯低于單向剪切強度；而當板材厚度為4 mm和6 mm時，上述效應不明顯。

(4)通過對比單向剪切與反剪切的斷口SEM形貌可以看出，反剪切的斷口中單個滑移平面的面積明顯增大，而且滑移平面更加光滑、平整。