預(yù)時(shí)效對(duì)汽車用6008合金吸能元件壓潰性能的影響

祝艷嬌，劉 歡，金智澎，張 巖，王 特

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng)111003)

有研究表明，用于汽車吸能鋁合金中，在不發(fā)生破裂情況下，6008合金具有較佳的吸能效果[1]。汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中的吸能盒作為汽車重要吸能元件，將車輛發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的撞擊力全部吸收且自身變形，從而減免白車身結(jié)構(gòu)的傷害，保護(hù)車輛，降低成本。吸能盒簡(jiǎn)單的理解就是可以吸收能量的盒子，在低速碰撞時(shí)，要求其在受力后完全被壓癟，相反吸能盒發(fā)生較小變形，而與其連接的防撞梁大幅度變形的設(shè)計(jì)是不合格的[2,3]。汽車碰撞過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，多數(shù)吸能盒是薄壁構(gòu)件，而且在碰撞初始階段的碰撞力是最大的，吸能盒碰撞壓縮變形穩(wěn)定、褶皺均勻，才不致使由于碰撞力過(guò)大而降低吸能盒的作用[4]。

汽車零部件的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)一般需要兩周左右的時(shí)間，在此期間不同合金都會(huì)存在不同程度的由不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而影響后期人工時(shí)效的性能，因此需要在轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)之前進(jìn)行一定的預(yù)處理，以滿足后期人工時(shí)效所需的性能[5,6]。本文以6008合金三腔體吸能盒作為研究對(duì)象，研究預(yù)時(shí)效下材料的壓潰吸能性，為預(yù)時(shí)效對(duì)汽車材料壓潰性能的影響提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料制備

試驗(yàn)用的三腔擠壓空心型材，實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.6，F(xiàn)e 0.2，Cu 0.13，Mn 0.05，Mg 0.5，Cr 0.01，V 0.07，Ti 0.02。將試樣在空氣循環(huán)爐中經(jīng)540℃保溫1h后水淬，淬水后試樣一部分自然時(shí)效兩周，一部分立即進(jìn)行180℃×5min預(yù)時(shí)效，然后自然時(shí)效兩周。最后將試樣統(tǒng)一進(jìn)行180 ℃不同保溫時(shí)間的最終時(shí)效，具體制度見表1。

表1 時(shí)效制度

1.2 性能測(cè)試

使用AG-X50KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試；使用SIGMATEST 2.069型渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，每個(gè)試樣選5點(diǎn)，取其平均值；使用AG-X 100KN型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向壓潰測(cè)試，位移速率為100mm/min，試樣取沿?cái)D壓方向200mm長(zhǎng)的全截面，下壓量為長(zhǎng)度的60%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

查閱眾多資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出一般作為吸能元件的6008合金屈服強(qiáng)度在270MPa時(shí)的綜合力學(xué)性能較好。所以，下面實(shí)驗(yàn)是以不同時(shí)效制度下屈服強(qiáng)度為270MPa時(shí)的力學(xué)性能作為對(duì)比參考。如圖1所示，隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，T6與T4P+T6狀態(tài)屈服強(qiáng)度先迅速增加，后增加速度變緩，且T4P+T6屈服強(qiáng)度先達(dá)到270MPa，時(shí)效溫度180℃下保溫時(shí)間120min，T4+T6狀態(tài)屈服強(qiáng)度保持均勻增加，屈服強(qiáng)度基本與T6態(tài)同時(shí)達(dá)到270MPa，保溫時(shí)間為240min。T4P+T6用時(shí)較短，且得到更高的抗拉強(qiáng)度，高出約10MPa，這一點(diǎn)從圖2應(yīng)力-應(yīng)變曲線中也可以清晰的看出。過(guò)屈服強(qiáng)度270MPa后，T4P+T6狀態(tài)流動(dòng)應(yīng)力增加的速度較快，且應(yīng)力最大，說(shuō)明其抗拉強(qiáng)度最大，T6狀態(tài)應(yīng)力最小，抗拉強(qiáng)度最小。即在屈服強(qiáng)度同為270MPa下，T4P+T6的時(shí)效制度下，所用保溫時(shí)間最短，抗拉強(qiáng)度最高。

圖1 不同人工時(shí)效保溫時(shí)間的強(qiáng)度

圖2 屈服強(qiáng)度為270MPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3中拉伸試驗(yàn)參數(shù)是屈服強(qiáng)度為270MPa時(shí)的延伸率和屈強(qiáng)比，三種參數(shù)中，T4P+T6狀態(tài)延伸率最大，屈強(qiáng)比最小，說(shuō)明在相同屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下，T4P+T6狀態(tài)的塑性和成形性較好，這將有利于壓潰褶皺的形成和吸能性。

表3 拉伸試驗(yàn)參數(shù)

2.2 對(duì)電導(dǎo)率的影響

從圖3中可以看出，電導(dǎo)率幾乎不受預(yù)時(shí)效和自然停放兩周的影響，同一人工時(shí)效保溫時(shí)間下最大差值僅不到0.7%IACS，而隨著人工時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)電導(dǎo)率增加的較為明顯。

圖3 不同人工時(shí)效保溫時(shí)間的電導(dǎo)率

2.3 對(duì)壓潰性能的影響

如前所述，表3中拉伸試驗(yàn)參數(shù)說(shuō)明在相同屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下，T4P+T6狀態(tài)的塑性和成形性較好，這將有利于壓潰褶皺的形成和吸能性。圖4為屈服強(qiáng)度270MPa時(shí)的加載載荷、吸能性能隨著位移的變化曲線，圖5中試樣的每個(gè)褶皺完成，是對(duì)應(yīng)圖4(a)中加載曲線圖上呈現(xiàn)第一峰值后周期性的波峰與波谷，且每一個(gè)中間大褶皺完成對(duì)應(yīng)加載曲線上一個(gè)大波峰與波谷，邊部小褶皺完成則對(duì)應(yīng)的是一個(gè)小波峰與波谷。從圖4(a)中可以看出T4P+T6、T4+T6和T6狀態(tài)在屈服強(qiáng)度相同時(shí)，其壓潰試驗(yàn)的第一峰值載荷也幾乎相同。通過(guò)圖5可看出，T4P+T6、T4+T6和T6三種狀態(tài)壓潰后，最終試樣中部形成3個(gè)褶皺，T6最終壓潰后的試樣側(cè)面褶皺處出現(xiàn)裂紋擴(kuò)大后的開裂現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)的加載曲線呈現(xiàn)第一峰值后為小幅度波動(dòng)曲線，且曲線的規(guī)律性被破壞。T4P+T6與T4+T6褶皺較均勻，無(wú)明顯的肉眼可見大裂紋，相對(duì)應(yīng)的圖4(a)中載荷曲線，T4P+T6與T4+T6的曲線波峰波谷較規(guī)律，周期性較強(qiáng)，波動(dòng)幅度大，T6狀態(tài)下曲線波峰波谷不規(guī)律，周期性較弱，波動(dòng)幅度小。但看曲線圖，T4P+T6狀態(tài)下波峰波谷比T4+T6狀態(tài)下周期性更強(qiáng)一些，波動(dòng)幅度略大一些，說(shuō)明吸能效果好一些，壓潰性能好一些。

圖4 屈服強(qiáng)度為270MPa下的壓潰試驗(yàn)加載載荷和吸收能量

圖5 屈服強(qiáng)度為270MPa下的壓潰試樣

再根據(jù)圖4(b)可知，同一加載載荷下，隨著下壓量位移增加，試樣的吸能性能基本呈線性增加，試樣下壓量為60%時(shí)，T4P+T6狀態(tài)吸收的能量最多，吸能性最好，T6狀態(tài)試樣吸收的能量最少，吸能性最差，T4+T6居于中間。

通常認(rèn)為延伸率高的材料在壓縮時(shí)不易開裂，但大量實(shí)驗(yàn)表明，鋁合金的軸向壓縮性能，與拉伸強(qiáng)度呈線性增加，延伸率不是壓碎過(guò)程中破裂敏感性的良好預(yù)測(cè)指標(biāo)[7,8]。這種壓潰模式的變化主要與材料的機(jī)械性能有關(guān)，屈服強(qiáng)度增加，抵抗微小塑性變形能力提高，第一峰值載荷增加。相同屈服強(qiáng)度下，抗拉強(qiáng)度增加，即屈強(qiáng)比減小，材料抗塑性變形能力增強(qiáng)，試樣不破壞的前提下壓潰褶皺的致密性提高，達(dá)到相同下壓量時(shí)，試樣不易產(chǎn)生裂紋，試樣吸收能量增加[9,10]，壓潰性能好。

3 結(jié)論

(1)力學(xué)性能方面。通過(guò)預(yù)時(shí)效處理T4P狀態(tài)與未處理T4狀態(tài)的6008合金吸能元件的對(duì)比，經(jīng)預(yù)時(shí)效處理，即T4P+T6狀態(tài)，屈服強(qiáng)度可提前達(dá)到目標(biāo)值270MPa，且抗拉強(qiáng)度較高，屈強(qiáng)比較小，因此更有利于成形性能。

(2)壓潰性能方面。不同時(shí)效狀態(tài)，壓潰變形方式不同，壓潰試驗(yàn)峰值載荷相同條件下，下壓量為60%時(shí)，T6狀態(tài)加載曲線周期變化規(guī)律被破壞，壓潰試樣出現(xiàn)大裂紋，壓潰性能差。T4P+T6和T4+T6狀態(tài)加載曲線呈周期變化，變形褶皺均勻，但T4P+T6狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的載荷曲線周期性強(qiáng)，波動(dòng)幅度最大，吸收的能量最高，壓潰性能較好。