車用鋁合金5182_O 準靜態單向拉伸試驗*

徐全磊 譚必丁 陸軍合

（廣西艾盛創制科技有限公司）

1 準靜態單向拉伸試驗

汽車車身輕量化是解決節能減排問題的有效途徑之一。鋁合金有著密度小、比強度和比剛度高、易于成型等特點，可以給汽車提供更輕的車身質量，減少資源的消耗[1]。同時，鋁合金擁有較高的工藝性能，能夠保證汽車的安全碰撞要求，因此被廣泛應用于汽車、輕型貨車、地鐵及航天航空等領域，但對其性能的研究仍然不夠全面，特別是隨著其他合金的不斷出現，對鋁合金成型性能及基礎性能的要求也越來越高[2-3]?；诖耍恼聦M口鋁板與國內鋁板進行了性能差異分析。

1.1 試驗目的

本次試驗的試樣由鋁合金5182_O 制備，采用標準GB/T 4228—2005，對試樣進行了 0°、45°、90°3 個方向的單向拉伸試驗，觀察3 個方向上鋁合金的性能差異；并通過單向拉伸獲得鋁合金的載荷位移關系曲線圖，求出應力應變曲線，分析提取后得到材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、延伸率及厚向異性指數，對比進口鋁板與國內鋁板的性能差異。

1.2 試樣制備

試驗采用進口鋁板與國內鋁板對比的形式展開分析，先用激光切割機將鋁板切割出規定尺寸的試樣，如圖1 所示。試樣試驗區域長度為75 mm，寬度為12.5 mm，厚度為1.2 mm。

圖1 鋁板試樣尺寸

將進口鋁板試樣編號為 1 組：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。其中 1-1、1-2 與軋制方向成 0°；1-3 與軋制方向成 45°；1-4、1-5 與軋制方向成 90°。

將國內鋁板試樣編號為 2 組：2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。方向與1 組相同。

1.3 試驗操作

準靜態單向拉伸試驗在溫室環境下（10～35 ℃）進行，將試樣及夾頭安裝在INSTRON 3382 型號拉力機上，在試驗開始之前，需要注意以下2 點，盡量減少操作的誤差，保證數據的準確性：

1）固定試樣時，要使試樣的長度方向與拉伸方向盡量保持一致，若偏離了拉伸方向，試驗結果所得數據將不準確；

2）在固定試樣的過程中，夾緊塊的攢動會造成試樣內部存在一個初始的拉伸應力或擠壓應力，這也會造成試驗數據的不準確，需要對夾緊裝置的初始位置進行微調，使試樣內應力趨近于0 時，將試驗數據清零，再進行試驗。

裝夾好試樣并按照上述2 個步驟清零數據后開始測試，以2 mm/min 的速度勻速拉伸，得到試樣拉伸斷裂結果，并且10 組數據全部測試完畢，如圖2 所示[4]。

圖2 鋁板材料拉伸斷裂結果

2 應力應變曲線及材料力學性能參數確定

2.1 載荷位移曲線

分別將2 種編號的材料拉伸至發生斷裂后，測量出斷裂時試驗區域的長度值，如表1 所示。

表1 鋁板斷裂時試驗區域長度的測量結果 mm

通過準靜態拉伸試驗獲得2 組試樣的載荷與位移關系曲線，如圖3 所示。從1 組的數據中可看出，試樣所能承受的載荷在4 570～4 590 N，而2 組的試樣所能承受的載荷在4 229～4 300 N。由此可知，進口鋁板承受拉伸力的能力要略微優于國內鋁板。

圖3 準靜態單向拉伸試驗中鋁板試樣的載荷-位移關系曲線

2.2 應力應變曲線

將測量得到的載荷與位移關系曲線，轉換成工程應力應變曲線。工程應力應變曲線并未真實地反映出材料隨應變變化的關系，因而需要將工程應力應變曲線轉化成真實應力應變曲線。

工程應力應變轉化成真實應力應變的依據，如式（1）～ 式（4）所示。

式中：e——工程應變；

ΔL——試樣長度的增量，mm；

L0——試樣的初始長度，mm；

ε——真實應變；

Li——試樣拉伸后的長度，mm；

σeng——工程應力，MPa；

F——當前拉伸力，N；

A0——初始斷面積，m2；

σ——真實應力，MPa；

A——當前斷面積，m2。

假設：在拉伸力達到最大之前，試樣中間段的變形是均勻一致的，不考慮操作人員的操作誤差，則：

綜上，求出試驗數據后，得到應力-應變曲線圖，如圖4 所示。根據1 組的數據可以求出，材料的屈服點在150 MPa 左右，超過該值后材料發生塑性變形，抗拉強度在300 MPa 左右；2 組數據的材料的屈服點在120 MPa 左右，抗拉強度在280 MPa 左右。由此可知，進口鋁板的屈服強度及抗拉強度均略高于國內鋁板。

圖4 準靜態單向拉伸試驗中鋁板試樣的應力-應變曲線

2.3 材料性能參數

根據圖4 提取出2 組數據的彈性模量、屈服強度、抗拉極限（抗拉強度）、延伸率及厚向異性指數，如表2所示。從圖 4 和表 2 中可知，材料在 0°、45°、90°3 個方向上的單向拉伸流變應力基本保持一致，變化趨勢相同；且在3 個方向上存在著一定的各向異性，其中，45°的最為明顯；同時90°方向上的延伸率達到最大值，所以成型性能比較好。從測量求出的數據上看，進口鋁板測量出的彈性模量、斷后延伸率以及厚向異性指數都比國內鋁板的數值要大，因而進口鋁板的成型性能也比較好[5]。

表2 單向拉伸獲得的鋁板材料性能參數

3 結論

綜上可以得出：1）由載荷-位移關系曲線可知，進口鋁板所能承受的拉伸力在4 570～4 590 N，國內鋁板所能承受的拉伸力在4 229～4 300 N。2）從2 組材料的厚向異性指數來看，進口鋁板的數值較大于國內鋁板，說明進口鋁板抵抗變薄的能力要強于國內鋁板；從0°、45°、90°3 個拉伸方向上看，材料長度方向與軋制方向成90°時，厚向異性指數最大，抵抗變薄的能力更強。3）進口鋁板的屈服強度約為150 MPa，抗拉強度最大可達300 MPa；而國內鋁板的屈服強度約為120 MPa，抗拉強度最大可達280 MPa。4）2 組編號材料的延伸率最大值出現在與軋制垂直的方向上，進口鋁板最大延伸率為25.8%，而國內鋁板的最大延伸率為26.9%，均高于0°與45°的斷后延伸率，所以當拉伸方向與軋制方向成90°時，材料的成型性能較好。

基于鋁合金5182_O 準靜態單向拉伸試驗求出的材料性能參數，還需要進行進一步的仿真和現場驗證，在實際應用中不斷積累經驗數據和完善。對以下3 個方面，還將進一步研究：

1）對鋼板和鋁板的成型性能做模擬仿真分析，觀察兩者對零件起皺、開裂、回彈的影響；

2）對進口鋁板和國內鋁板的成型性能做模擬仿真分析，觀察兩者對零件起皺、開裂、回彈的影響；

3）現場驗證：按照模擬仿真分析流程對板材進行沖壓成型，觀察其起皺、開裂情況，并記錄回彈數據，與模擬仿真結果進行比對。