剪切間隙條件下鋁合金板材剪切力學(xué)性能的研究*

王志輝，陳 超，王 韌，吳安如

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208；2.湖南工程學(xué)院 汽車動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411104)

0 引言

隨著交通工具輕量化設(shè)計(jì)與應(yīng)用的不斷發(fā)展，大量鋁合金材料被應(yīng)用于汽車、軌道車輛等交通工具中[1，2]。鋁合金構(gòu)件在其工況下的力學(xué)特性與交通工具運(yùn)行安全及可靠性息息相關(guān)，因此越來(lái)越多的研究人員對(duì)鋁合金材料受力變形情況展開(kāi)研究。Gilioli等[3]研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下6061-T6鋁合金的力學(xué)行為。姜薇等[4]研究了應(yīng)力三軸度和應(yīng)變速率對(duì)鋁合金力學(xué)性能的影響。由于板材在工程應(yīng)用時(shí)與周圍的零部件接觸，形成裝配間隙配合，其在載荷作用下的塑性應(yīng)變以及應(yīng)力三軸度均不同于純剪切狀態(tài)[5]。本文主要結(jié)合鋁合金板材構(gòu)件在交通工具運(yùn)行過(guò)程中的受力情況，采用自行設(shè)計(jì)制造的剪切裝置開(kāi)展試驗(yàn)，研究鋁合金板材在存在裝配間隙時(shí)，即剪切間隙條件下剪切速率對(duì)鋁合金板材力學(xué)性能的影響，為鋁合金板材的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)材料為汽車、軌道車輛等交通工具中常用的2 mm、4 mm、6 mm三種不同厚度的5052、6061和7075三類鋁合金板材，其熱處理狀態(tài)分別為H32、T6和T651。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)制造如圖1所示的剪切試驗(yàn)裝置，借助拉伸試驗(yàn)機(jī)，模擬測(cè)試鋁合金板材在2 mm裝配間隙的連接場(chǎng)合，在不同剪切速率下的剪切力學(xué)性能，剪切試樣尺寸如圖2所示。試驗(yàn)后采用FEI Quanta 250 FEG型掃描電鏡觀察試樣的斷口顯微形貌。

圖1 剪切試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

圖2 剪切試樣尺寸圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同厚度鋁合金板材的拉伸力學(xué)性能分析

圖3為不同厚度的鋁合金板材拉伸力學(xué)性能。從圖3(a)中可以看出:5052、6061、7075三類鋁合金板材，隨著其板材厚度的增加，抗拉強(qiáng)度基本呈下降趨勢(shì)，板材厚度越厚，其抗拉強(qiáng)度下降幅度越大；而隨著板材厚度的增加，拉伸最大位移逐漸升高，但升高的趨勢(shì)放緩，如圖3(b)所示。這主要是由于板材越厚，板材軋制時(shí)的變形量越小，變形細(xì)晶效果越弱，且軋制后板材內(nèi)部殘留的組織缺陷越多，導(dǎo)致變形強(qiáng)化作用減弱，因此同種材質(zhì)的板材，其厚度越大，強(qiáng)度越低[6]。

圖3 鋁合金板材的拉伸力學(xué)性能

2.2 不同剪切速率下的鋁合金板材剪切性能分析

表1為鋁合金板材在不同剪切速率下的力學(xué)性能。其中，剪切強(qiáng)度變化幅值=(剪切強(qiáng)度最大值-剪切強(qiáng)度最小值)/剪切強(qiáng)度最大值。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，剪切速率的變化會(huì)對(duì)鋁合金板材的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響,雖然不同類別、不同厚度的板材其剪切強(qiáng)度變化幅值不同，但均呈現(xiàn)以下規(guī)律：①在剪切速率發(fā)生改變時(shí)，6061鋁合金板材的剪切強(qiáng)度變化幅值最小，7075次之，5052最大；②隨著板材厚度的增加，其剪切強(qiáng)度的變化幅值先減小后增大，當(dāng)板材厚度為4 mm時(shí)的剪切強(qiáng)度變化幅值最小，即剪切應(yīng)變速率對(duì)厚度為4 mm的板材剪切強(qiáng)度影響最小，如圖4所示。

圖4 不同厚度鋁合金板材的剪切強(qiáng)度變化幅值

表1 鋁合金板材在不同剪切速率下的力學(xué)性能

圖5為不同剪切速率下不同厚度5052、6061、7075鋁合金板材的剪切強(qiáng)度。從圖5中可以看出，不同剪切速率下不同厚度的板材剪切強(qiáng)度變化規(guī)律不同：①當(dāng)板材厚度為2 mm時(shí)，隨著剪切速率的增大，鋁合金板材的剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先較快減小、后緩慢增大的趨勢(shì)，而且鋁合金板材在5 mm/min的剪切速率下，其剪切強(qiáng)度均為最小值，其剪切強(qiáng)度變化幅值在4.5%以內(nèi)，見(jiàn)圖5(a)；②當(dāng)板材厚度為4 mm時(shí)，隨著剪切速率的增加，鋁合金板材的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)[7]，但減小幅度不大，其剪切強(qiáng)度變化幅值在2.5%以內(nèi)，見(jiàn)圖5(b)；③當(dāng)板材厚度為6 mm時(shí)，鋁合金板材的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律不同，其剪切強(qiáng)度變化幅值達(dá)到31.2%；其中，5052、7075鋁合金板材的剪切強(qiáng)度隨剪切應(yīng)變速率的增加，先快速增加后降低；而6061鋁合金板材的剪切強(qiáng)度隨剪切應(yīng)變速率的增加，仍呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì)，見(jiàn)圖5(c)。

圖5 不同剪切速率下不同厚度板材的剪切強(qiáng)度

2.3 不同剪切速率下的剪切性能與拉伸性能對(duì)比分析

表2為鋁合金板材的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值(比值=剪切強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度)。通過(guò)對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在2 mm/min、5 mm/min、10 mm/min剪切速率下，5052、6061、7075三類鋁合金板材的性能呈現(xiàn)如下規(guī)律：①剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值均隨著板材厚度的增加而增大；②同厚度條件下，抗拉強(qiáng)度越高的鋁合金板材，其對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值越小，剪切強(qiáng)度相比抗拉強(qiáng)度下降幅度越大，變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同剪切速率下不同厚度板材的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值變化規(guī)律

表2 鋁合金板材的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值

2.4 剪切斷口形貌分析

2.4.1 拉伸與剪切斷口形貌分析

圖7為2 mm/min剪切速率下2 mm厚6061鋁合金板材的拉伸與剪切斷口形貌。從圖7可以看出，其拉伸斷口斷面不平，有明顯的圓形等軸韌窩，屬于韌性斷裂，如圖7(a)所示；而剪切斷口形貌中基本沒(méi)有圓形韌窩，只有拋物線形的韌窩以及滑移平面。斷口形貌理論上主要由試樣的三軸應(yīng)力度和等效塑性應(yīng)變所決定，其中韌窩的大小由試樣的三軸應(yīng)力度來(lái)控制，而韌窩的深淺和方向由等效塑性應(yīng)變來(lái)控制，其中三軸應(yīng)力度占主導(dǎo)地位。因此，由于鋁合金受剪切力作用時(shí)的等效塑性應(yīng)變較大，其微孔洞長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力變小，故斷口的滑移平面占比較多，且韌窩深度變淺；但由于本文試驗(yàn)中采用的剪切方法中有2 mm的配合間隙，并非純剪切，其三軸應(yīng)力度并非為0，故斷口中還有少量拋物線形韌窩或橢圓韌窩存在，如圖7(b)所示。

圖7 6061鋁合金板材的拉伸與剪切試驗(yàn)斷口形貌(厚度2 mm,剪切速率2 mm/min)

2.4.2 不同類別的鋁合金板材剪切斷口形貌分析

圖8為不同類別鋁合金板材的剪切斷口形貌。從圖8中可以看出：厚度為2 mm的5052、6061和7075三類板材的剪切斷口形貌存有較大的區(qū)別；5052的剪切斷口有明顯的拋物線形剪切韌窩，韌窩多且較深，這是由于板材在剪切力的作用下，顯微孔洞沿剪切方向上被拉長(zhǎng)，其剪切斷裂形式為韌性斷裂；6061的剪切斷口中有類似發(fā)生滑移的拋物線形，而且其拋物線的兩側(cè)邊基本與剪切時(shí)的拉伸方向平行，但與5052的相比，韌窩明顯數(shù)量變少且深度變淺；7075的剪切斷口是由眾多細(xì)小的剪切面組成，幾乎沒(méi)有拋物線形的剪切韌窩，即沒(méi)有空穴擴(kuò)張和匯合的現(xiàn)象[8]。

圖8 不同類別的鋁合金板材剪切斷口形貌(厚度2 mm，剪切速率2 mm/min)

2.4.3 不同厚度的鋁合金板材剪切斷口形貌分析

圖9為2 mm/min剪切速率下不同厚度的6061鋁合金板材剪切斷口形貌。從圖9中可以看出:不同厚度的板材剪切斷口存在大量滑移的拋物線形面，且均存在少量的橢圓形韌窩；而且隨著板材厚度的增加，剪切斷口的拋物線形韌窩越明顯，且韌窩深度有增加的傾向。

圖9 不同厚度的6061鋁合金板材的剪切斷口形貌

3 結(jié)論

(1) 剪切速率對(duì)6061-T6鋁合金板材剪切強(qiáng)度的影響幅度最小(剪切強(qiáng)度變化范圍在2.5%以內(nèi))，7075-T651次之，5052-H32最大。此外，剪切速率對(duì)4 mm厚的三類鋁合金板材的剪切強(qiáng)度影響幅度均為最小。

(2) 三類鋁合金板材剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值均隨著板材厚度的增加而增大；同厚度條件下，抗拉強(qiáng)度越高的鋁合金板材，其對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值越小。

(3) 三類鋁合金板材在間隙配合條件下的剪切斷口掃描形貌中均存在拋物線形或橢圓形韌窩，但隨著鋁合金強(qiáng)度的提升，韌窩數(shù)量減少，拋物線形的滑移面增多；隨著板材厚度的增加，剪切斷口的拋物線形韌窩越明顯，且韌窩深度有增加的傾向。