6016鋁合金變形應(yīng)變場研究新方法

張冬冬， 王 勇， 任 祥， 冉 旭

（長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

車身輕量化是節(jié)能減排的重要途徑之一，在致力于車身輕量化的同時(shí)，強(qiáng)度也不容忽視，這就使車身輕量化的任務(wù)更加復(fù)雜化。在車身輕量化研究中，人們對(duì)鋁的興趣日益高漲［1－2］。如果在掌握鋁合金變形時(shí)應(yīng)變場變化規(guī)律的情況下，準(zhǔn)確定位成形極限，那么鋁合金在汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

在鋁合金變形過程中，為了對(duì)應(yīng)變場變化進(jìn)行定性分析，需要一種能夠準(zhǔn)確、快速的表征材料性能的方法。在幾年前，數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于這個(gè)領(lǐng)域［3－6］。傳統(tǒng)2D DIC系統(tǒng)（單架攝像機(jī)）首次應(yīng)用于樣品面內(nèi)變形量的測量（如拉伸試驗(yàn)）［7－8］。近年來，傳統(tǒng)3D DIC（兩架攝像機(jī)）系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于外部變形的測量［9］，但是，傳統(tǒng)3D DIC系統(tǒng)有兩方面的不足［10］，首先是過于依賴裝置的穩(wěn)定性，也就是說，實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)相機(jī)的位置必須要精確定位。另一個(gè)是實(shí)際工作中的測試時(shí)，復(fù)雜的環(huán)境條件會(huì)使系統(tǒng)喪失精確性［11］。為了克服這些不足，本研究使用的3D DIC系統(tǒng)（多架攝像機(jī)）是全視野的、無接觸的數(shù)值測量方法，以每秒超過15幀記錄圖像。全視野測量方法可以追蹤試樣上不同點(diǎn)的位置，并且對(duì)應(yīng)著X，Y，Z軸定義每一點(diǎn)并測得相應(yīng)的位移和應(yīng)變。

文中目的就是找到一個(gè)可重復(fù)使用的、操作簡單和不受環(huán)境約束的方法。通過這種方法可以對(duì)不同的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測量，不受制于形狀、大小、溫度及環(huán)境的限制，對(duì)試驗(yàn)樣品的變形行為進(jìn)行記錄。這種方法就是上文提到的3D DIC，以6016鋁合金為例，采用3D DIC系統(tǒng)測量鋁合金的變形行為和應(yīng)變場分布，對(duì)鋁合金的應(yīng)變場分布與變化進(jìn)行研究，從而確定6016鋁合金的成形極限。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

文中選用6016鋁合金為研究對(duì)象，其化學(xué)成分見表1。

表1 6016鋁合金化學(xué)成分 wt%

鋁合金板材在垂直于軋制方向（橫向T），沿著軋制方向（豎向R）與軋制方向成45°（斜向D）分別取拉伸試樣。樣品由電火花切割機(jī)加工而成，尺寸如圖1所示（單位mm）。

圖1 6016鋁合金拉伸樣品尺寸

由于鋁合金表面光滑容易反光，文中進(jìn)行表面著色處理來降低光面反射率。樣品拉伸前照片如圖2所示。

圖2 6016-T4鋁合金拉伸前樣品圖

拉伸過程中由DIC系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)的樣品變形及應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的拉伸試驗(yàn)設(shè)備的型號(hào)為WDW-200，如圖3所示。

圖3 WDW-200型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由3個(gè)CCD攝像機(jī)、1個(gè)綠色的LED光源，1個(gè)拉伸試驗(yàn)機(jī)、1個(gè)固定的黑色背景和幾臺(tái)用來記錄數(shù)據(jù)的電腦組成。綠色的LED燈和黑色的背景板為試樣提供最佳的照明并且降低周圍環(huán)境的影響，在實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)背景在DIC中的灰度值為0。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的關(guān)鍵組成部分就是用來記錄數(shù)據(jù)的3臺(tái)攝像機(jī)。對(duì)于單一的子集，實(shí)驗(yàn)通過三相機(jī)來觀察，程序首先會(huì)對(duì)整個(gè)樣品覆蓋觀察然后定位子集。同樣，三相機(jī)DIC系統(tǒng)也可以被認(rèn)為是3個(gè)獨(dú)立的DIC系統(tǒng)，可以通過其中任意兩個(gè)相機(jī)的相關(guān)性而進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，這樣就可以得到最理想的結(jié)果。相對(duì)于傳統(tǒng)DIC系統(tǒng)，三相機(jī)DIC系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是在實(shí)際測量中的高精度。而且三相機(jī)DIC系統(tǒng)具有高的測量的準(zhǔn)確性，可以提供更多的冗余數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)6016鋁合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，選擇的是等速拉伸，拉伸速度是12.7 mm／min。在拉伸過程中，所有的攝像機(jī)同步運(yùn)行，同樣拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制器和攝像機(jī)也是同步的，這樣采集數(shù)據(jù)和拉伸試驗(yàn)可以同時(shí)開始。相機(jī)的數(shù)據(jù)采集率和拉伸試驗(yàn)機(jī)設(shè)置為30 Hz。采集率的有效分辨率為2 500×200像素。文中子集的大小設(shè)置為21× 21像素，網(wǎng)格空間設(shè)置為6像素，精度為0.05像素。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 3D DIC系統(tǒng)的構(gòu)建

數(shù)字圖像相關(guān)方法是全視野的、非接觸式的方法，使用CCD或者CMOS攝像機(jī)來記錄和跟蹤試樣的單個(gè)點(diǎn)。利用兩個(gè)或者更多的相機(jī)所得數(shù)據(jù)，軟件能夠計(jì)算出X，Y，Z坐標(biāo)以及在每個(gè)方向上的應(yīng)變。這樣可以通過跟蹤像素和其周圍小區(qū)域的運(yùn)動(dòng)來完成，這類區(qū)域稱為子集；子集的數(shù)量將會(huì)隨著不同的設(shè)置而發(fā)生變化。其原理是定義區(qū)域或者子集雖然可能會(huì)變形，但定義區(qū)域或者子集的光反射數(shù)量應(yīng)該是相同的。通過這種方法，軟件能夠無視變形地追蹤每一個(gè)點(diǎn)。但是在實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于照明條件和其它因素的影響，使點(diǎn)的追蹤過程更加復(fù)雜。一般來說，DIC系統(tǒng)是由兩個(gè)同步的攝像機(jī)來組成的，因?yàn)閷?duì)于空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)攝像頭可以提供足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重組。文中使用3D DIC系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的3D DIC系統(tǒng)的基本過程相同，但是通過3個(gè)相機(jī)記錄的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化匹配，提高其精確度，得到理想結(jié)果。

當(dāng)3臺(tái)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)同一區(qū)域時(shí)，它們?nèi)魏我粋€(gè)都可以是參考相機(jī)，因此在測量過程中，這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于3個(gè)獨(dú)立的DIC系統(tǒng)。對(duì)于物體表面的每一個(gè)點(diǎn)都有3套數(shù)據(jù)，通過兩兩匹配，選擇最佳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)于傳統(tǒng)DIC系統(tǒng)，相關(guān)誤差大約是0.2像素，但是，三相機(jī)系統(tǒng)將誤差值減小到0.05像素。

使用傳統(tǒng)3D DIC系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確校準(zhǔn)，才能使得兩組數(shù)據(jù)相關(guān)并且得到理想結(jié)果。如果校準(zhǔn)出現(xiàn)問題，那么數(shù)據(jù)就會(huì)失去相關(guān)性或者相關(guān)性很小。任何一種情況都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗。而第3臺(tái)相機(jī)所得到的數(shù)據(jù)可使得相關(guān)性的數(shù)量從1增加到3。3組數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩相關(guān)重組，就可以選擇誤差最小的數(shù)據(jù)作為最后結(jié)果。由于每次結(jié)果只用到兩組數(shù)據(jù)，那么從3D DIC系統(tǒng)攝像機(jī)出來的數(shù)據(jù)就有一組是冗余的。雖然有些數(shù)據(jù)可能不會(huì)作為最后的結(jié)果使用，但是每個(gè)相機(jī)都是必不可少的。由于系統(tǒng)不需要像2D或者傳統(tǒng)3D DIC一樣校準(zhǔn)，因此使用起來更簡便，更加適合大量樣品的測量。

2.2 6016鋁合金在不同取樣方向上的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

文中研究的6016鋁合金為軋材，因此需要在不同方向上分別取樣，分析其拉伸性能，主要對(duì)其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同取樣方向上6016鋁合金的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖4為6016-T4鋁合金與軋制方向成不同角度的樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。通過對(duì)比分析橫向、豎向和斜向的拉伸性能及應(yīng)力－應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)隨軋制方向的改變，其力學(xué)性能無明顯變化。這表明，取樣方向不同，對(duì)樣品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率沒有太大的影響，6016鋁合金的軋制并未使其沿軋制方向產(chǎn)生各向異性。

6016鋁合金在等速拉伸下進(jìn)行變形，隨著時(shí)間的增加，進(jìn)入塑性變形階段，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生頸縮，這個(gè)頸縮稱之為初始頸縮（Diffused Necking），這是一個(gè)均勻的變形階段。當(dāng)拉伸繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，厚度方向上也會(huì)產(chǎn)生類似頸縮，這個(gè)頸縮稱之為厚度初始頸縮（Localize Necking，LN），而LN就是FL的初始點(diǎn)。由圖4可以看出，3D DIC系統(tǒng)可以完全象傳統(tǒng)的3D DIC系統(tǒng)一樣，測量出樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，同時(shí)，3攝像機(jī)3D DIC系統(tǒng)還可以做FL的分析。

2.3 成形極限的確定

為了測量6016-T4鋁合金FL，文中采用3D DIC系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和全程同步數(shù)據(jù)采集。在實(shí)驗(yàn)開始前，建立一個(gè)基準(zhǔn)面并且設(shè)置其坐標(biāo)為“平面”即所有坐標(biāo)都是“0”，拉伸開始時(shí)，看變形子集到基準(zhǔn)面的距離，到基準(zhǔn)面距離最大的子集就是變形最大的區(qū)域，這部分區(qū)域可以找到6016鋁合金的FL，如圖5所示。

圖5 變形子集到基準(zhǔn)面的距離

圖5顯示的是頸縮區(qū)橫斷面的形狀變化，由圖中可以看出曲線變化較大，曲線的變化程度與趨勢也同樣是樣品表面的真實(shí)變形情況。同時(shí)，也可從圖中看出，在標(biāo)示位置，點(diǎn)到標(biāo)定面的距離瞬間急速變化，這就是頸縮的開始，同樣也是6016-T4鋁合金的FL。

2.4 時(shí)間－應(yīng)變曲線確定6016鋁合金FL

為了研究鋁合金樣品的FL與形變參數(shù)之間的關(guān)系，分析了多種實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如時(shí)間、應(yīng)力、應(yīng)變、延伸率等），最終確定了時(shí)間與應(yīng)變之間的關(guān)系，并繪制出關(guān)系曲線，找到了FL，如圖6所示。

圖6 6016-T4鋁合金時(shí)間－應(yīng)變曲線

圖6中的關(guān)系曲線顯示時(shí)間與應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系，并且大致可以分為兩個(gè)階段。第1階段內(nèi)，隨著時(shí)間的變化，應(yīng)變變化不大，變化速率較低；經(jīng)過約80 s之后，變化進(jìn)入第2階段內(nèi)，此時(shí)變化速率急劇增大，然后斷裂。所以可以確定，應(yīng)變斜率急速變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為FL。

2.5 6016-T4鋁合金樣品拉伸后形貌

6016-T4鋁合金樣品拉伸后樣品圖如圖7所示。

圖7 6016鋁合金拉伸后樣品圖

由圖中可以看到，試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，在接近斷口處可以看到明顯的頸縮現(xiàn)象，剪切面方向與拉伸軸線近似成45°。

2.5.1 6016鋁合金樣品拉伸斷口觀察

6016鋁合金樣品的拉伸斷口不同放大倍數(shù)的SEM形貌如圖8所示。

圖8 6016鋁合金樣品拉伸斷口SEM形貌

由圖中可以看出，樣品斷口處主要是由大量的韌窩組成，是典型的韌性斷裂。

2.5.2 斷口處金相顯微組織

在樣品斷裂前經(jīng)過明顯的彈性變形階段、塑性變形階段，然后產(chǎn)生頸縮，而在本實(shí)驗(yàn)中，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，樣品不單單只是一處產(chǎn)生頸縮，而是產(chǎn)生了多重頸縮，最后發(fā)生斷裂。而斷裂點(diǎn)只是其中一個(gè)頸縮點(diǎn)，即最大程度的頸縮點(diǎn)。不同放大倍數(shù)的鋁合金拉伸樣品斷口處的顯微組織如圖9所示。

圖9 6016鋁合金樣品拉伸斷口處顯微組織

由圖中可以看出，樣品在斷裂前發(fā)生了大量塑性變形，原晶粒被拉長或破碎，不再保持原來的大小、形狀，有時(shí)能看到滑移的痕跡。

3 結(jié) 語

1）6016鋁合金經(jīng)過軋制后，各個(gè)方向上的力學(xué)性能沒有表現(xiàn)出巨大差別，即并未因?yàn)檐堉贫a(chǎn)生各向異性。

2）3D DIC系統(tǒng)操作更加方便，不僅對(duì)試樣的形狀無具體要求，而且在切換試樣的過程中無需對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行重新定位，同時(shí)，由于多出一架攝像機(jī)，可得冗余數(shù)據(jù)，最終對(duì)多組數(shù)據(jù)優(yōu)化匹配，得到較理想的結(jié)果，在實(shí)際的測試當(dāng)中具有更好的實(shí)用性。

3）通過多架相機(jī)3D DIC系統(tǒng)，以6016-T4鋁合金為例，找到FL，同時(shí)定義了時(shí)間和應(yīng)變的關(guān)系曲線上的FL。

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