寬應(yīng)變率范圍下2A16-T4鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能*

惠旭龍,白春玉,劉小川,牟讓科,王計(jì)真

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

寬應(yīng)變率范圍下2A16-T4鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能*

惠旭龍,白春玉,劉小川,牟讓科,王計(jì)真

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

為了研究2A16-T4鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)及霍普金森壓桿(SHPB)裝置進(jìn)行常溫下準(zhǔn)靜態(tài)、中應(yīng)變率和高應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，得到不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，基于修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型對(duì)它進(jìn)行擬合，并分析材料中應(yīng)變率力學(xué)特性對(duì)模型應(yīng)變率敏感參量的影響。結(jié)果表明：2A16-T4鋁合金在應(yīng)變率10-4～102s-1范圍內(nèi)應(yīng)變率敏感性較弱，而在102～103s-1范圍內(nèi)應(yīng)變率敏感性較強(qiáng)，且應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)隨塑性應(yīng)變的增大而減?。煌瑫r(shí)，在10-4～103s-1范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng)，且應(yīng)變硬化效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大而減??；此外，修正Johnson-Cook本構(gòu)模型的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，能夠很好表征材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，且考慮材料中應(yīng)變率力學(xué)特性可提高本構(gòu)模型參量的準(zhǔn)確性。

Johnson-Cook模型；高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)；中應(yīng)變率；2A16-T4鋁合金；應(yīng)變率效應(yīng)

由于具有比強(qiáng)度高和耐腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，2A16-T4等鋁合金材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用。而飛機(jī)在使用過(guò)程中不可避免受到飛鳥、跑道上碎石、冰雹以及輪胎碎片等外來(lái)物的撞擊，為提高飛機(jī)的安全性并盡可能減輕飛機(jī)重量，就需要了解材料在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，獲得材料準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。

隨著霍普金森實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也不斷深入。研究表明，鋁合金的塑性流動(dòng)應(yīng)力具有明顯的應(yīng)變率敏感性，而熱激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是塑性流動(dòng)行為的機(jī)理[1]。D.L.Holt等[2]發(fā)現(xiàn)純鋁在室溫下表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性。王洪欣等[3]發(fā)現(xiàn)3004鋁在應(yīng)變率0.000 5～2 000 s-1范圍內(nèi)有明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)；然而，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)鋁合金的應(yīng)變率敏感性并不明顯。張偉等[4-5]通過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、霍普金森拉桿等裝置，發(fā)現(xiàn)2A12和7A04鋁合金的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)顯著，而應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)不明顯。張正禮[6]結(jié)合電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)2024鋁合金是應(yīng)變率不敏感材料；此外，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)鋁合金的應(yīng)變率敏感性與應(yīng)變率范圍和溫度有關(guān)。朱耀[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AA7055鋁合金在常溫下的應(yīng)變率敏感性不明顯，而在高溫下應(yīng)變率敏感性較強(qiáng)。謝燦軍等[8]發(fā)現(xiàn)，7075-T6鋁合金在應(yīng)變率500 s-1范圍內(nèi)應(yīng)變率敏感性不明顯，而當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)1 000 s-1后出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了修正的Johnson-Cook本構(gòu)方程。楊超等[9]也發(fā)現(xiàn)，5083H111鋁合金材料在低應(yīng)變率情況下存在應(yīng)變率軟化效應(yīng)，在中低應(yīng)變率范圍內(nèi)存在應(yīng)變率軟化再?gòu)?qiáng)化特性，在高應(yīng)變率情況下又表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。

上述研究表明，盡管在準(zhǔn)靜態(tài)(10-4～10-2s-1)和高應(yīng)變率(102～104s-1)范圍內(nèi)對(duì)鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于應(yīng)變率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律并不一致。而基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)型Johnson-Cook本構(gòu)模型及其修正形式也被廣泛應(yīng)用于材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的構(gòu)建中，但研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率區(qū)間，由此得到的材料本構(gòu)模型不具備完備性，且到目前為止還未見關(guān)于2A16-T4鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究報(bào)道。因此，很有必要對(duì)較寬應(yīng)變率范圍下2A16-T4鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，了解它在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率敏感特性，構(gòu)建較完備的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。

1 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

1.1準(zhǔn)靜態(tài)拉伸

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為INSTRON 8801電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見圖1)，拉伸載荷通過(guò)試驗(yàn)機(jī)自帶的載荷傳感器測(cè)得，傳感器量程為100 kN，拉伸應(yīng)變通過(guò)接觸式引伸計(jì)測(cè)得，夾頭加載速度為2 mm/min。2A16-T4鋁合金準(zhǔn)靜態(tài)真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，在塑性段應(yīng)變硬化效應(yīng)較強(qiáng)，試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷作用下發(fā)生拉伸破壞，未出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象(見圖3)。

1.2中應(yīng)變率拉伸

相比材料的準(zhǔn)靜態(tài)及高應(yīng)變率力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，材料的中應(yīng)變率力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)最難實(shí)現(xiàn)。主要是因?yàn)?，在這個(gè)速率范圍內(nèi)的加載會(huì)引起加載鏈的共振問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)不易采集。而傳統(tǒng)的氣錘、落錘等裝置都具有在沖擊過(guò)程中速度逐漸變低、應(yīng)變率不恒定的缺點(diǎn)。相比于這些裝置，高速液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)具有橫速率加載、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好及加載穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用INSTRON VHS 160高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)(見圖4)作為材料中應(yīng)變率力學(xué)性能的測(cè)試平臺(tái)。

對(duì)于應(yīng)變的測(cè)試，傳統(tǒng)的引伸計(jì)和應(yīng)變片測(cè)試方法受測(cè)量方式和量程的限制而無(wú)法使用，而基于高速攝像技術(shù)的非接觸測(cè)試和分析系統(tǒng)(見圖5)可用來(lái)測(cè)試高速拉伸過(guò)程中試件表面的應(yīng)變場(chǎng)。通過(guò)在試件的標(biāo)距段噴涂散斑，利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)區(qū)域散斑圖像的變形情況，結(jié)合非接觸分析軟件計(jì)算試件的位移場(chǎng)，進(jìn)而得到試件表面的應(yīng)變場(chǎng)(見圖6)和動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變數(shù)據(jù)(見圖7)。

對(duì)于拉伸載荷的測(cè)量，較低應(yīng)變率下可通過(guò)壓電傳感器直接得到，但應(yīng)變率高于10 s-1時(shí)，試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的共振效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果發(fā)生很大幅度的振蕩而失真[10]，此時(shí)壓電傳感器的測(cè)量結(jié)果已無(wú)法反映材料的真實(shí)力學(xué)特性。為解決這個(gè)問(wèn)題，在試件非標(biāo)距段兩側(cè)的對(duì)等位置沿拉伸方向粘貼應(yīng)變片，利用應(yīng)變片間接測(cè)量試件的載荷數(shù)據(jù)，可提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12](見圖8)。

高速攝像機(jī)和數(shù)采系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)，采樣率相同，可以獲得同步的載荷與應(yīng)變信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到2A16-T4鋁合金中應(yīng)變率下的真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖9所示?？芍趹?yīng)變率10-4～102s-1范圍內(nèi)應(yīng)變率敏感性較弱，隨著應(yīng)變率的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度增加很小，流動(dòng)應(yīng)力僅強(qiáng)化3%左右。但應(yīng)變硬化效應(yīng)較強(qiáng)，隨著塑性應(yīng)變的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)力明顯提高。

為研究應(yīng)變率和應(yīng)變對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，取不同應(yīng)變率下參考塑性應(yīng)變?yōu)?.03、0.08和0.12時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖10所示(準(zhǔn)靜態(tài)下塑性應(yīng)變0.12的流動(dòng)應(yīng)力值為外插結(jié)果)。可以看出，流動(dòng)應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而緩慢增加，表現(xiàn)出較弱的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。在相同應(yīng)變率下，流動(dòng)應(yīng)力均隨應(yīng)變的增大而增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng)。當(dāng)塑性應(yīng)變?yōu)?.03、0.08、0.12時(shí)，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)分別為5.8%、3.0%、2.5%；當(dāng)應(yīng)變率為0.000 4、0.032、0.065、10、130、350 s-1時(shí)，應(yīng)變硬化效應(yīng)分別為15.8%、15.0%、15.0%、14.8%、13.8%、13.2%?？梢钥闯?，材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)隨塑性應(yīng)變的增大而減小(用0.032 s-1和350 s-1計(jì)算)，材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大而減小(用應(yīng)變0.03和0.08計(jì)算)。在高速拉伸載荷作用下，材料的應(yīng)變硬化和熱軟化同時(shí)進(jìn)行，一方面，它具有一定的應(yīng)變硬化作用，另一方面，較高應(yīng)變率變形時(shí)載荷作用時(shí)間極短，試件內(nèi)由塑性變形能轉(zhuǎn)化的熱量無(wú)法耗散，導(dǎo)致的試件溫升使試件產(chǎn)生一定的熱軟化，且應(yīng)變率越高熱軟化效應(yīng)越強(qiáng)，所以材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)(見圖11)。

1.3高應(yīng)變率壓縮

高應(yīng)變率壓縮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，由發(fā)射裝置、輸入桿和輸出桿組成。采用應(yīng)變片測(cè)量輸入桿中的入射、反射脈沖和輸出桿中的透射脈沖，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合一維應(yīng)力波理論和均勻性假設(shè)，計(jì)算試件的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率[13]。試件尺寸為?8 mm×8 mm，共進(jìn)行3種應(yīng)變率(1 000、2 000、3 000 s-1)下的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。

2A16-T4鋁合金真實(shí)塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖13所示，可以看出，它在應(yīng)變率10-4～103s-1范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，隨著應(yīng)變率的增加，流動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)化50%左右。這與它在中應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率敏感特性明顯不同，表明2A16-T4鋁合金在常溫下的應(yīng)變率敏感特性與應(yīng)變率范圍有關(guān)。在應(yīng)變率350 s-1以內(nèi)，應(yīng)變率敏感性較弱，而當(dāng)應(yīng)變率超過(guò)1 000 s-1以后，材料的應(yīng)變率敏感性明顯增強(qiáng)。該特性與文獻(xiàn)[8]中對(duì)7075-T6鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究結(jié)果相似。此外，2A16-T4鋁合金在高應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變硬化效應(yīng)依然很明顯。

為研究應(yīng)變率和應(yīng)變對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，取不同應(yīng)變率下參考塑性應(yīng)變?yōu)?.03、0.08和0.12時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖14所示?？梢钥闯?，流動(dòng)應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而迅速增加，表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。在相同應(yīng)變率下，流動(dòng)應(yīng)力均隨應(yīng)變的增大而增大，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化效應(yīng)。當(dāng)塑性應(yīng)變?yōu)?.03、0.08、0.12時(shí)，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)分別為18.3%、16.1%、11.7%；當(dāng)應(yīng)變率為0.000 4、1 000、2 000、3 000 s-1時(shí)，應(yīng)變硬化效應(yīng)分別為15.8%、12.2%、11.9%、10.1%?？梢钥闯?，材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)隨塑性應(yīng)變的增大而減小(用應(yīng)變率1 000 s-1和3 000 s-1計(jì)算)，應(yīng)變硬化效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大而減小(用應(yīng)變0.03和0.08計(jì)算)，變化規(guī)律與中應(yīng)變率范圍下的結(jié)果相同。

2 Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系擬合

Johnson-Cook模型[14]用于描述材料流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度之間的關(guān)系。它采用連乘的形式將應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)綜合處理，具體形式為：

(1)

2.1Johnson-Cook本構(gòu)模型的修正

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，2A16-T4鋁合金在中應(yīng)變率范圍下應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)較弱，而在高應(yīng)變率范圍下應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)較強(qiáng)，流動(dòng)應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率近似成指數(shù)關(guān)系(見15)?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)Johnson-Cook模型將材料流動(dòng)應(yīng)力與對(duì)數(shù)應(yīng)變率描述為線性形式，因此，需對(duì)應(yīng)變率項(xiàng)進(jìn)行修正。

W.J.Kang等[15]、G.R.Cowper等[16]和H.Huh等[17]針對(duì)Johnson-Cook模型的應(yīng)變率項(xiàng)進(jìn)行了修正，分別為：

(2)

(3)

(4)

采用新的應(yīng)變率項(xiàng)后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合效果更好?？紤]2A16-T4鋁合金在低、中、高應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率敏感特性，選擇式(2)作為應(yīng)變率項(xiàng)的修正形式。

2.2本構(gòu)模型參數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，參數(shù)擬合時(shí)不考慮溫度項(xiàng)m，只有5個(gè)待定材料參數(shù)A、B、n、C和P。

選取參考應(yīng)變率4×10-4s-1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合參數(shù)A、B、n，在室溫、參考應(yīng)變率下，式(1)簡(jiǎn)化為：

σ=A+Bεn

(5)

根據(jù)參考應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)合matlab軟件，擬合得參數(shù)A=289 MPa、B=500 MPa、n=0.52。

通常認(rèn)為金屬材料的力學(xué)性能具有較好的各向同性，因此在結(jié)果分析中沒有區(qū)分拉伸與壓縮。利用室溫不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合參數(shù)C、P。室溫下Johnson-Cook本構(gòu)模型可簡(jiǎn)化為：

(6)

式中：σ0為參考應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力；σ為不同應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力。

為研究材料中應(yīng)變率力學(xué)特性對(duì)應(yīng)變率敏感參量的影響，對(duì)以下3種情況進(jìn)行分析：(1)只考慮準(zhǔn)靜態(tài)和中應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(2)只考慮準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(3)綜合考慮準(zhǔn)靜態(tài)、中應(yīng)變率和高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前，應(yīng)變率敏感參數(shù)C大多通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變率下的屈服應(yīng)力進(jìn)行擬合得到，而2A16-T4鋁合金的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)與應(yīng)變有關(guān)，因此依次取2A16-T4鋁合金塑性應(yīng)變0.03、0.08、0.12時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率關(guān)系(見圖15)進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表1?？梢钥闯?，3種情況下的擬合結(jié)果之間有較大的區(qū)別，但各自的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，如圖16所示。

表1 2A16-T4鋁合金應(yīng)變率參數(shù)擬合結(jié)果Table 1 Fitted results of strain rate sensitive parameters

2.3材料中應(yīng)變率力學(xué)性能數(shù)據(jù)對(duì)率相關(guān)參數(shù)的影響

由于材料中應(yīng)變率力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)普及程度不高，對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率范圍內(nèi)。此時(shí)，只能利用高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的Johnson-Cook本構(gòu)模型，通過(guò)內(nèi)插或外推方法得到其他應(yīng)變率下的結(jié)果。

而實(shí)際情況中，材料在不同應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率敏感性不一定相同，利用內(nèi)插或外推法可能會(huì)與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。

圖17為利用高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的Johnson-Cook本構(gòu)模型外推得到的材料中低應(yīng)變率力學(xué)特性與真實(shí)結(jié)果的對(duì)比，可以看出，外推法對(duì)較低應(yīng)變率數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果較好，但對(duì)較高應(yīng)變率的預(yù)測(cè)值偏高(預(yù)測(cè)值偏差大小與所選本構(gòu)方程有關(guān))。因此，為得到能覆蓋材料由準(zhǔn)靜態(tài)到高應(yīng)變率全范圍力學(xué)特性的本構(gòu)模型參數(shù)，必需綜合考慮材料準(zhǔn)靜態(tài)、低、中、高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由此得到的材料修正Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)分別為A=289 MPa、B=500 MPa、n=0.52、C=1.83×10-11、P=8.66，修正本構(gòu)模型擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖18所示。

可以看出，所有應(yīng)變率下擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均吻合很好，證明了本文所得修正Johnson-Cook本構(gòu)模型預(yù)測(cè)2A16-T4鋁合金動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了較寬應(yīng)變率范圍下2A16-T4鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到修正Johnson-Cook本構(gòu)模型，并分析了材料中應(yīng)變率力學(xué)特性對(duì)率相關(guān)參量的影響。主要結(jié)論如下：

(1)2A16-T4鋁合金在常溫下的應(yīng)變率敏感性與應(yīng)變率范圍有關(guān)，在應(yīng)變率10-4～102s-1范圍內(nèi)率敏感性較弱，而在102～103s-1范圍內(nèi)率敏感性很強(qiáng)，且應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)隨應(yīng)變的增大而減?。?/p>

(2)2A16-T4鋁合金在應(yīng)變率10-4～103s-1范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng)，且應(yīng)變硬化效應(yīng)隨應(yīng)變率的增大而減小；

(3)2A16-T4鋁合金的流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變率和應(yīng)變相耦合，但在中應(yīng)變率范圍內(nèi)主要受應(yīng)變的影響，而在高應(yīng)變率范圍內(nèi)同時(shí)受應(yīng)變率和應(yīng)變的影響；

(4)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，且考慮材料中應(yīng)變率力學(xué)特性可提高應(yīng)變率相關(guān)參量的準(zhǔn)確性。

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Abstract: In order to study the dynamic mechanical properties of 2A16-T4 aluminum alloy, experiments for the alloy at quasi-static, intermediate, and high strain rates were performed using an electronic multi-purpose testing machine, a high velocity hydraulic servo-testing machine and a split Hopkinson press bar (SHPB) at room temperature, and the stress-strain curves at different strain rates were obtained, with a modified Johnson-Cook constitutive model fitted. The dynamic mechanical properties at intermediate strain rates and its influence on the constitutive model’s parameters were analyzed. The results show that the strain rate hardening effect on the 2A16-T4 aluminum alloy is not obvious between 10-4～102s-1, but it is obvious between 102～103s-1, decreasing with the increase of the plastic strain. In addition, this effect is obvious between 10-4～103s-1, decreasing with the increase of the strain rate. Moreover, the fitted results of modified Johnson-Cook constitutive model agree well with the experiment results, representing well the alloy’s dynamic mechanical properties, which can improve the precision of the model’s rate-sensitive parameters over a wide range of strain rates.

Keywords: Johnson-Cook constitutive model; high velocity hydraulic servo-testing machine; intermediate strain rates; 2A16-T4 aluminum alloy; strain rate effect

(責(zé)任編輯 丁 峰)

Dynamicmechanicalpropertiesof2A16-T4aluminumalloyatwide-rangingstrainrates

Xi Xulong, Bai Chunyu, Liu Xiaochuan, Mu Rangke, Wang Jizhen

(AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonStructuresImpactDynamics,AircraftStrengthResearchInstituteofChina,Xi’an710065Shaanxi,China)

O347.1國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼13015

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0871-08

2016-02-02；

2016-08-13

惠旭龍(1989— )，男，碩士，助理工程師,742839400@qq.com。