吳 瑤，曹鐵山, 趙 杰，吳 昊，孟憲明，黃亞烽，鐘 正，程從前

(1.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024; 2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)良耐蝕性等特點(diǎn)，成為新能源汽車輕量化的重點(diǎn)應(yīng)用材料[1-2]。從汽車安全性角度，必須要考慮鋁合金等輕量化材料車身在碰撞中的抗沖擊性以及承受沖擊載荷的能力[3]。由此，研究鋁合金在應(yīng)變速率為1 s-1～103s-1范圍的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，成為新能源汽車安全可靠性仿真與評(píng)估的重要參量[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)車用鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究主要集中在5×××、6×××、7×××系鋁合金[5-11]，而對(duì)低強(qiáng)度3×××系鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究相對(duì)較少。已有的研究表明，高強(qiáng)鋁合金，例如7017鋁合金，隨應(yīng)變速率增加，其抗拉強(qiáng)度大幅提高，即表現(xiàn)出應(yīng)變速率敏感性[8]。文獻(xiàn)[12]還報(bào)道鋁的屈服強(qiáng)度在高應(yīng)變速率下具有明顯的應(yīng)變速率敏感性。除強(qiáng)度指標(biāo)之外，塑性變形和斷裂應(yīng)變作為仿真計(jì)算中的重要參考指標(biāo)，受到研究者關(guān)注。通常認(rèn)為，鋼等金屬材料隨應(yīng)變速率增加，強(qiáng)度增大、斷裂應(yīng)變減小、塑性降低。但在應(yīng)變速率對(duì)不同鋁合金斷裂應(yīng)變的影響方面不同研究者有不同的結(jié)論，文獻(xiàn)[3,9]認(rèn)為，6061和2024鋁合金的斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變速率增加而降低；而文獻(xiàn)[10]中報(bào)道，AA5182鋁合金隨應(yīng)變速率增大，抗拉強(qiáng)度變化不大，但斷裂伸長(zhǎng)率明顯增加，類似現(xiàn)象在最近的純鋁中也被發(fā)現(xiàn)[11]；文獻(xiàn)[13]認(rèn)為，在高應(yīng)變速率下低Taylor因子(TF)出現(xiàn)的頻率增加，拉伸變形過程中各種孔洞在低TF值晶界處成核，同時(shí)低TF值晶粒塑性變形阻力較小、更容易發(fā)生變形，從而伸長(zhǎng)率增大；文獻(xiàn)[14]認(rèn)為，微復(fù)相組織在高應(yīng)變速率下產(chǎn)生絕熱效應(yīng)，導(dǎo)致局部區(qū)域內(nèi)的溫度升高，由此發(fā)生的動(dòng)態(tài)軟化提高了塑性。

3003鋁合金作為低強(qiáng)度汽車動(dòng)力電池封裝材料，其動(dòng)態(tài)力學(xué)特性成為汽車受撞擊苛刻條件下殼體損傷程度評(píng)估，乃至動(dòng)力電池防泄漏安全設(shè)計(jì)及管理的關(guān)鍵指標(biāo)，但相關(guān)研究鮮有公開報(bào)道。本課題研究了不同應(yīng)變速率下3003鋁合金的動(dòng)態(tài)拉伸行為，結(jié)合快速圖像分析技術(shù)、掃描電鏡和顯微硬度等，著重分析了動(dòng)態(tài)拉伸過程的變形與斷裂特征，為該材料的應(yīng)用提供一些參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為1.2 mm厚3003鋁合金板，化學(xué)成分如表1所示。沿板材橫向按GBT 30069.2-2016截取標(biāo)距為20 mm的動(dòng)態(tài)拉伸試樣，經(jīng)表面機(jī)械打磨、拋光之后,噴上均勻啞光噴漆，使用Zwick-HTM-6020高速拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行1 s-1、10 s-1、100 s-1、200 s-1、500 s-1不同應(yīng)變速率的拉伸實(shí)驗(yàn)，預(yù)加載荷為50 N。使用型號(hào)為FASTCAM SA-Z的高速攝像機(jī)拍攝鋁合金動(dòng)態(tài)拉伸的過程，采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)分析動(dòng)態(tài)拉伸過程中的全場(chǎng)應(yīng)變。

表1 實(shí)驗(yàn)用3003鋁合金板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 3003 aluminum alloy test plate(wt/%)

取不同應(yīng)變速率下試樣拉伸斷口，用無水乙醇超聲波清洗5 min以去除斷口雜塵，采用SUPARR-55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，并使用Adobe Photoshop軟件進(jìn)行斷口面積的統(tǒng)計(jì)。沿拉伸斷口側(cè)面表面用電火花切割截取金相試樣，經(jīng)機(jī)械打磨、機(jī)械拋光后，使用HVD-51S型數(shù)顯顯微維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣表面的硬度值。將試樣用Keller試劑進(jìn)行腐蝕，然后用SUPARR-55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、MEF-4型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力與變形行為

圖1所示為3003鋁合金不同應(yīng)變速率的動(dòng)態(tài)拉伸曲線及性能參數(shù)。從圖1a、b可知，屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加呈現(xiàn)兩階段特性，當(dāng)應(yīng)變速率小于100 s-1時(shí)，屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加緩慢增大；當(dāng)應(yīng)變速率大于100 s-1時(shí)，應(yīng)變速率的強(qiáng)化作用增大；隨應(yīng)變速率增加，伸長(zhǎng)率也增大。從圖1c的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，在低應(yīng)變階段，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大呈現(xiàn)兩階段特性，而在高應(yīng)變區(qū)域，應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力沒有明顯影響。該結(jié)果表明，3003鋁合金不僅具有應(yīng)變速率敏感性，同時(shí)塑性隨應(yīng)變速率提高而增大。

圖2所示為選取圖1a中A-F點(diǎn)應(yīng)力150 N/mm2下和斷裂前的應(yīng)變?cè)茍D，并和斷裂試樣宏觀樣品照片對(duì)比。圖2各圖中相互垂直的虛線為標(biāo)距段的兩條對(duì)稱線，其中A點(diǎn)為斷口橫向左側(cè)起始點(diǎn)，圖2a、b、c的B點(diǎn)為縱向標(biāo)距段起始點(diǎn)，圖2d、e、f B點(diǎn)為縱向應(yīng)變?yōu)?點(diǎn)。從圖2a～c可知，在應(yīng)力150 N/mm2條件下，應(yīng)變值在標(biāo)距范圍內(nèi)近似均勻分布；隨應(yīng)變速率提高，應(yīng)變值下降。試樣斷裂前的應(yīng)變分布如圖2d-f所示，與應(yīng)力150 N/mm2條件下相比，應(yīng)變速率均明顯增大，其結(jié)果與圖1a結(jié)果一致；此外，圖中試樣中央?yún)^(qū)還發(fā)現(xiàn)了明顯的應(yīng)變集中區(qū)；隨應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變集中區(qū)影響面積變大。

圖1 3003鋁合金不同應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能Fig.1 Dynamic tensile properties of 3003 aluminum alloy at different strain rates

圖3所示為圖2云圖中沿箭頭方向的應(yīng)變變化曲線，其中圖3a、b為應(yīng)力150 N/mm2下的應(yīng)變變化圖，圖3c、d為斷裂前的應(yīng)變變化圖?？梢?，各個(gè)應(yīng)變速率下試樣的應(yīng)變值都隨到圖2中虛線A、B點(diǎn)的距離增大而先增大后減小，變形程度隨應(yīng)變速率增加而增大。當(dāng)應(yīng)力為150 N/mm2時(shí)，縱向(沿拉伸方向)的應(yīng)變整體比橫向的略低，且縱向條件下具有應(yīng)變分布不均的現(xiàn)象，如圖3a、b所示。在大塑性變形條件下，橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變；從圖3d還可以發(fā)現(xiàn)，縱向條件下的應(yīng)變變化更大，中部區(qū)域應(yīng)變集中度也更高，表明動(dòng)態(tài)拉伸主要作用于縱向。

圖2 3003鋁合金不同應(yīng)變速率、不同應(yīng)力下的應(yīng)變?cè)茍DFig.2 Strain cloud diagram of 3003 aluminum alloy under different strain rates and different stresses

2.2 不同應(yīng)變速率下斷口形貌特征

圖4為典型拉伸速率下斷口宏觀照片。結(jié)合圖2a～c斷裂前的應(yīng)力集中分布區(qū)和試樣斷裂宏觀照片可知，試樣斷口分為兩大區(qū)域，即由于應(yīng)力集中導(dǎo)致率先開裂的中部區(qū)域(Ⅰ區(qū))以及裂紋擴(kuò)展發(fā)生拉伸剪切混合開裂的兩端擴(kuò)展區(qū)(Ⅱ區(qū))。

圖3 應(yīng)力150 N/mm2與斷裂前不同應(yīng)變速率下的應(yīng)變變化圖Fig.3 Strain variation diagram of samples with various strain rates before fracture as a function of position compared with the strain of 150 N/mm2

圖4 3003鋁合金在不同應(yīng)變速率下拉伸斷口的宏觀形貌Fig.4 Macro-morphologies of the tensile fracture surface of 3003 aluminum alloy at different strain rates

上述典型斷口區(qū)域的掃描電鏡高倍放大結(jié)果如圖5所示。在Ⅱ區(qū)，應(yīng)變速率為1 s-1的兩側(cè)區(qū)域，斷口形貌主要為大小不一的韌窩和撕裂棱組成，如圖5a所示；隨應(yīng)變速率增加，小型韌窩增多并長(zhǎng)大，撕裂棱上逐漸出現(xiàn)韌窩乃至消失，如圖5b、c所示；與Ⅱ區(qū)相比，Ⅰ區(qū)斷口的撕裂棱明顯減少，隨應(yīng)變速率增加，韌窩增多，撕裂棱逐漸減少，如圖5d～f所示。

圖5 3003鋁合金在不同應(yīng)變速率下拉伸斷口微觀形貌組織Fig.5 Microstructures of the tensile fracture surface of 3003 aluminum alloy at different strain rates

根據(jù)圖4和圖5的斷裂形貌，對(duì)中間斷裂區(qū)域和兩側(cè)剪切和法向混合斷裂的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。隨著應(yīng)變速率的提高，拉伸斷口總面積降低；中間斷裂區(qū)域在斷口面積百分比隨應(yīng)變速率的提高而增加。結(jié)合圖2的應(yīng)變?cè)茍D和圖3的應(yīng)力分布曲線可知，應(yīng)變?cè)茍D2c、d中應(yīng)變集中區(qū)與法向斷裂面積具有較好的一致性，表明樣品的初始斷裂均從應(yīng)變集中區(qū)開始。

圖6 不同應(yīng)變速率下拉伸斷口側(cè)面的顯微組織Fig.6 Microstructures of the side of the tensile fracture at different strain rates

2.3 不同應(yīng)變速率下斷口側(cè)面顯微組織及顯微硬度

圖6所示為3003鋁合金不同應(yīng)變速率下拉伸斷口側(cè)面的顯微組織?？梢钥闯?，拉伸前晶粒大小分布不均，拉伸條件下晶粒發(fā)生了明顯的伸長(zhǎng)、變細(xì)。隨著應(yīng)變速率的提高，晶粒變形程度有進(jìn)一步變大的趨勢(shì)。

表2 不同應(yīng)變速率下拉伸斷口面積統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of tensile fracture area at different strain rates

圖7為不同應(yīng)變速率拉伸斷裂試樣的顯微硬度分布情況。

圖7 不同應(yīng)變速率拉伸斷裂試樣的顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution of tensile fracture specimens at different strain rates

由圖7a可知，隨著離斷口距離的增加，維氏硬度值顯著下降。應(yīng)變速率為1 s-1和500 s-1試樣的硬度值相對(duì)于未變形試樣的顯著提高，加工硬化效果顯著。應(yīng)變速率為1 s-1、500 s-1時(shí)的試樣分別在17.5 mm、20 mm處維氏硬度值趨近于未變形樣件的。由圖7b可知，隨著應(yīng)變速率的提高，硬度值有一定程度提高。應(yīng)變速率為1 s-1試樣的硬度值較未變形的硬度值提高約30%，而應(yīng)變速率為500 s-1試樣的硬度值較未變形試樣的硬度值提高約45%。

上述研究表明，3003鋁合金屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加，其敏感性具有階段性(圖1b)，在塑性變形階段，相同應(yīng)變下的流變應(yīng)力沒有明顯變化(圖1c)。屈服強(qiáng)度的應(yīng)變速率效應(yīng)受加工硬化和熱激活效應(yīng)的共同影響：一方面，隨著應(yīng)變速率提高，位錯(cuò)變形時(shí)位錯(cuò)密度隨應(yīng)變量的加大，產(chǎn)生加工硬化，使流變應(yīng)力提高[15]，這與本研究中圖1c屈服點(diǎn)下流變應(yīng)力增加相吻合；另一方面，應(yīng)變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響還與熱激活效應(yīng)相關(guān)[12,16]。在低應(yīng)變速率加載區(qū)，熱激活位錯(cuò)線數(shù)目超過屈服所需越過的短程能壘數(shù)，熱激活作用被充分地利用，故屈服強(qiáng)度較低且對(duì)應(yīng)變速率不敏感；在高應(yīng)變速率范圍內(nèi)，熱激活位錯(cuò)線的數(shù)目小于屈服所需越過的短程能壘數(shù)，并且隨著應(yīng)變速率的增大數(shù)量急劇減少，故熱激活作用逐漸減弱，屈服強(qiáng)度迅速增加。文獻(xiàn)[16]表明，2519A鋁合金拉伸應(yīng)變速率在0～8 000 s-1范圍內(nèi)，其屈服強(qiáng)度具有兩階段的應(yīng)變速率敏感性，這與本研究中3003鋁合金的結(jié)果一致。

隨著應(yīng)變速率的提高，斷口中間法向斷裂面積占比隨應(yīng)變速率的提高而增大，斷口形貌撕裂棱減少，較大的韌窩直徑增大且數(shù)量減少，表現(xiàn)出明顯的高韌性斷裂。這是由于隨著平均應(yīng)變速率提高，材料的變形時(shí)間縮短，組織在高應(yīng)變速率下產(chǎn)生絕熱效應(yīng)，使塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致區(qū)部區(qū)域內(nèi)的溫度驟然升高，發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化[14]。隨著平均應(yīng)變速率的增加，動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)加劇，材料的塑性提高，臨界應(yīng)變值也隨之增加。與此同時(shí)，在高塑性區(qū)由于加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化的共同作用，導(dǎo)致流變應(yīng)力變化不大[17]。

3 結(jié) 論

1)在本實(shí)驗(yàn)研究的3003鋁合金動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變速率從1 s-1提高到500 s-1，3003鋁合金的抗拉強(qiáng)度從173 N/mm2提高到194 N/mm2，屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率增加分為兩階段升高；斷裂應(yīng)變從27.1%提高到38.2%，塑性顯著增強(qiáng)。

2)動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變?cè)茍D和拉伸斷口分析表明：斷裂是從試樣中央開始，然后逐步擴(kuò)展到兩側(cè)，縱向、橫向的應(yīng)變值都隨位置的變化而先增大后減小；斷口形貌隨著應(yīng)變速率的升高，撕裂棱減少、較大的韌窩直徑增大且數(shù)量減少，斷口面積隨應(yīng)變速率的提高而減小。

3)動(dòng)態(tài)拉伸斷裂試樣的側(cè)面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側(cè)面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細(xì)長(zhǎng)，硬度隨應(yīng)變速率的增大而提高。