濮婧婧， 李順才， Слатин Вадим Иосифович， 吳春力

(1.江蘇師范大學(xué) 江蘇圣理工學(xué)院，江蘇徐州221116;2.圣彼得堡彼得大帝理工大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)院，圣彼得堡195251)

0 引言

鋁合金是常見的工程材料，在工程實(shí)際中往往承受拉伸壓縮、剪切擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等基本變形及組合變形的作用，且不同的組合變形作用下構(gòu)件的破壞形式及聲發(fā)射現(xiàn)象也互不相同。朱孝謙等［1-2］研究7075鋁合金、6061鋁合金、5A06鋁合金單軸拉伸時(shí)的聲發(fā)射行為。徐修全［3］針對脹緊式夾具加持的可靠性能和多物理場測試的功能要求對力學(xué)性能原位測試儀進(jìn)行優(yōu)化、修正和建模，對6061鋁進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來驗(yàn)證公式的正確性。劉波等［4-5］對2A12鋁合金和多晶鋁進(jìn)行雙軸拉扭復(fù)合加載實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值分析，校準(zhǔn)鋁合金的延性破壞模型。冉廣等［6］用掃描電鏡對鋁合金試件斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，得到了鋁合金的疲勞壽命規(guī)律。劉莉［7］研究了加載比例對5A06鋁合金變形行為的影響。朱浩等［8］在萬能拉伸機(jī)上對6061鋁合金進(jìn)行五種不同加載速率的拉伸剪切實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用有限元軟件模擬研究其在剪力狀態(tài)下的斷裂行為和力學(xué)性能。賈江瀅等［9］研究6020鋁合金試件在四種不同加載速率下的拉伸力學(xué)性質(zhì)。劉世民等［10］研究LY12鋁合金試件在五種加載路徑下的疲勞性能，并且用掃描電鏡觀察試樣的斷口，五種加載路徑下的斷口形貌不一樣。實(shí)驗(yàn)得出試件在純扭轉(zhuǎn)時(shí)壽命最長。范宋杰等［11］對A356系列鋁合金進(jìn)行金相掃描電鏡實(shí)驗(yàn)和場發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，分析共晶硅相及氣孔的分布特征、形貌研究斷裂過程和機(jī)理。劉洲等［12］對ZL101鋁合金試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，采用應(yīng)力遞增、加載速度為1mm/min的加載方式，觀察斷口形貌、顯微組織和斷口截面的背散射電子像。Abubaker［13］通過Abaqus仿真軟件，分析7075鋁合金在拉伸載荷以及彎曲載荷下的力學(xué)響應(yīng)。劉斌等［14］對經(jīng)過兩種不同熱處理的2024鋁合金試件進(jìn)行不同應(yīng)力幅值以及不同加載路徑下的單軸拉壓疲勞試驗(yàn)，研究不同加載狀態(tài)與疲勞壽命之間的關(guān)系。陳亞軍等［15］采用正弦波對稱加載法，研究不同的應(yīng)力幅比對2A12鋁合金疲勞失效的影響規(guī)律。Scales等［16］研究鋁6061-T6管狀試樣在受到剪切和拉伸直至失效的過程。Mungole等［17］研究經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)處理鑄態(tài)鋁合金在不同拉伸應(yīng)變率作用下的變形，通過原子顯微鏡直接測量晶體滑動(dòng)對總應(yīng)變的影響。Murashkin等［18］研究了1570鋁合金經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)塑性變形時(shí)的組織性能與力學(xué)性能。

7050鋁合金常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，用于制作中厚板擠壓件、自由鍛打件與模鍛件。但是鋁合金在拉伸-扭轉(zhuǎn)組合作用下，拉力及扭矩的載荷比例、拉伸扭轉(zhuǎn)加載速率對力學(xué)特征及聲發(fā)射特征規(guī)律的影響以及對破壞應(yīng)力、破壞面的影響，目前未見詳細(xì)報(bào)道。本文設(shè)計(jì)了金屬拉伸-扭轉(zhuǎn)組合變形的力學(xué)及聲發(fā)射特征測試與分析系統(tǒng)，用以研究鋁合金拉伸-扭轉(zhuǎn)組合破壞的宏觀與微觀機(jī)理，進(jìn)一步探索拉伸-扭轉(zhuǎn)加載速率、加載比例、加載路徑等因素對試件破壞應(yīng)力、聲發(fā)射能量等物理量的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試件

圖1為試驗(yàn)中力學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)示意圖。試驗(yàn)設(shè)備為力爾牌DLNKJ-150-500型拉扭組合多功能試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的最大試驗(yàn)力150 kN，最大扭距500 N·m。扭轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)范圍0～5 r/min，扭轉(zhuǎn)角度分辨值為 0.018°。

聲發(fā)射設(shè)備是DS2-8B系列全信息聲發(fā)射信號分析儀。它的優(yōu)點(diǎn)是波形采集完整、參數(shù)提取完整、定位功能精確、視窗設(shè)計(jì)靈活和同組數(shù)據(jù)靈活，設(shè)置不同的門限和HDT時(shí)間，能夠得到的不同結(jié)果和多種相關(guān)圖風(fēng)格。放大器選取的是增益可調(diào)放大器，有20/40/60dB可供調(diào)節(jié)。傳感器型號為RS-2A，在頻率50～400 kHz都能使用，適宜的溫度范圍較大。聲發(fā)射的相關(guān)配件為鉛筆鉛芯耦合劑、傳感器接觸面轉(zhuǎn)換器、信號線和外參轉(zhuǎn)接線。

試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)拉扭試件的標(biāo)距100 mm、標(biāo)準(zhǔn)直徑10 mm，如圖2所示。

圖1 利爾力學(xué)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋁合金試件

2 試驗(yàn)方案

選取4個(gè)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試件，分別編號為L1、L2、L3、L4。量取其標(biāo)距L0和直徑d0，做好試件實(shí)驗(yàn)前相關(guān)尺寸的記錄，將拉伸及扭轉(zhuǎn)速率比設(shè)置為3∶4，軸向位移加載速率v及扭轉(zhuǎn)角位移加載速率γ如表1所示。

表1 鋁試件的尺寸和加載速率方案

3 主要試驗(yàn)步驟

(1)安裝試件。將聲發(fā)射傳感器1、傳感器5分別粘貼固定在試件標(biāo)距左端點(diǎn)起20 mm和80 mm處，如圖3所示。然后將試件裝入拉伸扭轉(zhuǎn)組合專用夾頭內(nèi)擰緊固定螺絲完成安裝，如圖4所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器的固定

圖4 固定在夾頭內(nèi)的試件

(2)加載并采集信號。啟動(dòng)微機(jī)，啟動(dòng)程序“力爾試驗(yàn)系統(tǒng)”，在軟件操作界面選定試驗(yàn)類型，完成參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)“啟動(dòng)”進(jìn)行校零。完成校零后，按照設(shè)計(jì)方案設(shè)置加載速率。力爾試驗(yàn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能，能夠?qū)τ谠囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，試驗(yàn)過程中同步采集拉力、扭矩、軸向變形及扭轉(zhuǎn)角。

同時(shí)，在另一臺電腦上啟動(dòng)聲發(fā)射信號分析軟件。啟動(dòng)后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，檢測各通道背景噪聲強(qiáng)度，設(shè)置門檻值。采集過程中，對聲發(fā)射事件自動(dòng)計(jì)數(shù)、儲存，并實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象。

(3)觀察并量取破壞后試件的相關(guān)尺寸。試件斷裂后將其從夾頭中取出，觀察試件斷口形狀，并將斷裂后的試件重新拼接在一起，測量計(jì)算延伸率。

(4)提取特征值，分析計(jì)算。提取所采集的力學(xué)信號、聲發(fā)射信號的特征值并進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。

4 拉扭組合變形理論破壞應(yīng)力

試件在拉力F及力偶M作用下產(chǎn)生拉伸扭轉(zhuǎn)組合變形，如圖5所示。應(yīng)力值最大的危險(xiǎn)點(diǎn)在試件表面，構(gòu)件表面A點(diǎn)的單元體應(yīng)力分布如圖6所示。根據(jù)應(yīng)力分析，圖6中σy=0。

圖5 桿件拉伸組合變形

不同金屬材料的拉扭破壞一般表現(xiàn)為脆性斷裂或塑性剪切屈服?；谄矫鎽?yīng)力狀態(tài)理論得到經(jīng)過A點(diǎn)的各斜截面上的最大正應(yīng)力(主應(yīng)力)σ1及最大剪應(yīng)力τmax。主應(yīng)力計(jì)算公式:

圖6 單元體應(yīng)力分析

式中:σx=Fm/A0;材料脆性斷裂時(shí)，τxy=Tm/WT，材料塑性屈服時(shí)其中Fm，Tm分別為拉扭試驗(yàn)

加載破壞過程中的最大軸力及最大扭矩。

主應(yīng)力方向與橫截面夾角的計(jì)算公式

最大剪應(yīng)力的計(jì)算公式

最大剪應(yīng)力所在面與橫截面的夾角α1滿足:

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 不同加載速率下試件的載荷-變形曲線

鋁合金材料的軸力-軸向位移曲線如圖7所示，扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線如圖8所示。

圖7 不同加載速率下鋁合金試件的軸力-位移曲線

圖8 不同加載速率下鋁合金試件的扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線

由圖7和8可知鋁合金表現(xiàn)為與碳鋼類似的塑性屈服特征。試驗(yàn)結(jié)束后各試件的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。將表2中最大軸力F、最大扭矩T代入式(3)和(4)，得到鋁合金的破壞應(yīng)力τmax及其破壞面方向α1，如表3所示。拉扭破壞面方向角的實(shí)測值如表4所示。

表2 鋁試件的力學(xué)參數(shù)

表3 試件鋁在不同速率下的破壞應(yīng)力及其破壞方向

表4 試件拉扭破壞面方向的實(shí)測值

拉扭破壞后的試件破壞面如圖9所示，圖10顯示的是計(jì)算拉扭破壞斷面方向角度的示意圖。

圖9 拉扭破壞后的試件

圖10 計(jì)算斷面示意圖

比較表3和表4，計(jì)算結(jié)果與測量值非常接近，表明，拉扭組合作用下鋁合金的破壞是由最大切應(yīng)力引起的。隨著加載速率的減小，試件拉扭破壞面的方向角逐漸增大。

5.2 聲發(fā)射特征試驗(yàn)結(jié)果與分析

將試驗(yàn)過程中接收到的聲發(fā)射傳感器信號經(jīng)由前置放大器以及濾波器傳入分析軟件。采取參數(shù)分析法分析聲發(fā)射信號的特征參數(shù)如幅度、撞擊數(shù)及能量等。

聲發(fā)射幅度用UAE表示，聲發(fā)射能量用E表示，分別繪制出鋁合金4個(gè)試件聲發(fā)射幅度變化及能量變化的曲線，如圖11和12所示。

圖11 試件聲發(fā)射幅度-時(shí)間變化曲線

圖12 試件聲發(fā)射能量-時(shí)間變化曲線

統(tǒng)計(jì)不同試件聲發(fā)射參數(shù)平均振鈴計(jì)數(shù)、平均幅度值A(chǔ)E，繪制相應(yīng)的特征參數(shù)隨加載速率的變化曲線如圖13所示。

圖13 不同加載速率下的聲發(fā)射平均參數(shù)

綜合圖11～13可知:①鋁合金試件的聲發(fā)射能量釋放形式表現(xiàn)為孤震型，在斷裂時(shí)有一個(gè)明顯的聲發(fā)射峰值，具有一定塑性的材料在斷裂時(shí)釋放的能量最多。②不同加載速率的試件斷裂時(shí)間不同，加載速率越小，斷裂所需時(shí)間越長。③試件3(軸向速率1.2 mm/min)的聲發(fā)射能量及平均振鈴計(jì)數(shù)最高，其時(shí)間曲線出現(xiàn)了多次峰值，試件2(軸向速率1.5 mm/min)的聲發(fā)射特征參數(shù)最小。④隨著加載速率的增加，平均聲發(fā)射幅度值增加，而平均振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)先急劇增加后迅速下降的趨勢。

以編號L1的鋁合金試件為例，畫出軸力與撞擊數(shù)的關(guān)系圖，如圖14所示。由圖14可知，試件的彈性階段為0～250 s，在彈性變形階段，撞擊數(shù)波動(dòng)小，該階段材料只產(chǎn)生少量的聲發(fā)射信號。在塑性變形階段，撞擊數(shù)波動(dòng)明顯，該階段大量聲發(fā)射信號產(chǎn)生。因此，撞擊數(shù)波動(dòng)情況可以反映試件在拉伸過程中的狀態(tài)變化，區(qū)分彈性變形和塑性變形階段。

圖14 L1試件軸力與撞擊數(shù)隨加載時(shí)長的關(guān)系圖

6 結(jié)語

通過鋁合金在不同加載速率下的拉扭試驗(yàn)，得到其在相應(yīng)速率下的載荷-變形曲線?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了破壞應(yīng)力及破壞面方向，并實(shí)測了破壞面與橫截面夾角。試驗(yàn)表明:①鋁合金表現(xiàn)為與碳鋼類似的塑性屈服特征。②鋁試件裂紋的擴(kuò)展速度較慢，從受力至斷裂歷經(jīng)的時(shí)間長。③不同加載速率下裂紋擴(kuò)展時(shí)間不同，加載速率越小，裂紋擴(kuò)展所需時(shí)間越長。④鋁合金試件的聲發(fā)射幅度曲線明顯，分布密集。隨著加載速率的增加，平均聲發(fā)射幅度值增加。