新能源汽車鋁合金板的沖壓性能與微觀組織研究

徐晶晶

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)系,安徽 六安,237158)

隨著汽車科技的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的提高,傳統(tǒng)燃油汽車尾氣對(duì)環(huán)境造成污染收到了世界各國(guó)的高度重視,新能源汽車近幾年進(jìn)入“快速通道”,已經(jīng)受到越來(lái)越多消費(fèi)者的認(rèn)可,2019年,全國(guó)新能源汽車銷量已超過(guò)120萬(wàn)輛[1-3]。相較于傳統(tǒng)燃油汽車,新能源汽車(以電動(dòng)汽車為例)中燃料電池組的重量高達(dá)數(shù)百公斤,這給新能源汽車輕量化提出了更高要求[4-5]。鋁合金具有高強(qiáng)度、低密度、抗腐蝕的特點(diǎn),是目前汽車輕量化替代鋼板的主要材料[6-7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)車用鋁合金的研究主要集中在拉伸性能和微觀組織上,劉軍等[8]研究了6061鋁合金拉伸性能并建立了本構(gòu)模型,朱浩等[9]研究了6061鋁合金的拉伸性能和斷裂機(jī)理,馬冬威等[10]研究了固溶處理工藝對(duì)6061鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。為了系統(tǒng)研究車用鋁合金的拉伸性能和圍觀組織,本文以常用6061鋁合金板為研究對(duì)象,系統(tǒng)研究了沖壓性能和微觀組織,為鋁合金板在新能源汽車中廣泛應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

原料板材選用河南明泰鋁業(yè)提供的6161鋁合金板,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金板化學(xué)成分 /%(w/w)

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)試樣從鋁合金板上通過(guò)線切割截取,具體的工藝流程如圖1所示。

(1)單向拉伸實(shí)驗(yàn)。單向拉伸實(shí)驗(yàn)是能夠有效評(píng)價(jià)板材力學(xué)性能和沖壓成形性能,是目前應(yīng)用最為廣泛的實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)國(guó)標(biāo) GB／T228-2002,取板材厚度為1 mm,通過(guò)線切割機(jī),沿板材軋制方向成0°、45°和90°這3個(gè)方向各取3個(gè)實(shí)樣,實(shí)樣取向和尺寸如圖2、圖3所示。拉伸實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)用力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,考慮到鋁材對(duì)應(yīng)變速率敏感,應(yīng)變速率設(shè)置為10-3/s。

(2)拉深變形實(shí)驗(yàn)。拉深變形實(shí)驗(yàn)可以綜合反映出材料的沖壓性能。本實(shí)驗(yàn)采用不同直徑的圓筒進(jìn)行拉深變形實(shí)驗(yàn),凸模直徑為51.6 mm,凹模直徑為49.6 mm,板厚為1 mm,模具尺寸如圖4所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中各工序所使用的設(shè)備及型號(hào)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備總表一覽

1.4 測(cè)試方法

斷口形貌觀察。采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌觀察。

金相顯微觀察。按照慣例制備試樣,腐蝕液采用5%草酸溶液,腐蝕5～10 s,在金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果討論

2.1 單相拉伸性能分析

試樣的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知,拉伸過(guò)程中曲線平滑,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)。由試樣宏觀斷口和工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線中可知,試樣在斷裂時(shí)沒(méi)有發(fā)生明顯的縮頸現(xiàn)象,為脆性斷裂,說(shuō)明斷口處裂紋一旦產(chǎn)生就會(huì)迅速擴(kuò)張直至斷裂,試樣對(duì)應(yīng)力集中極度敏感。試樣的真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示,其變化規(guī)律和工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線基本相同,沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。

通過(guò)單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算出0°、45°和90°這3個(gè)方向試樣拉伸性能參數(shù),如表3所示。試樣單向拉伸試樣斷口形貌如圖7所示。從斷口來(lái)看,斷裂方式主要為韌窩開(kāi)裂,韌窩不深,尺寸較小,大韌窩尺寸在13 μm左右,在大韌窩之間分布了大小不一的小韌窩,且小韌窩幾乎都是等軸韌窩,可見(jiàn)微觀斷裂過(guò)程中是以孔洞形核,逐漸長(zhǎng)大、聚集導(dǎo)致斷裂。

表3 試樣拉伸性能參數(shù) /MPa

試樣拉伸前后的金相照片如圖8所示。拉伸前,試樣內(nèi)破碎化合物沿著軋制方向排列,晶粒變形方向也是受軋制方向影響。拉伸后,晶?；儑?yán)重沿著斷裂方向拉長(zhǎng),有明顯沿晶和穿晶裂紋。

2.2 拉深性能分析

圓筒試樣進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)斷裂前后照片如圖9所示。圓筒直徑為49.6 mm,測(cè)得試樣在直徑為73 mm時(shí)拉裂。

圓筒式樣拉深斷口形貌如圖10所示。斷口上分布有韌窩,同時(shí)也有明顯的河流狀斷裂紋,可見(jiàn)斷裂形式為韌窩斷裂和解理斷裂相結(jié)合。

拉深實(shí)驗(yàn)后,圓筒試樣在圓角部分和筒壁部分相對(duì)于圓筒底部,晶粒發(fā)生了較大變形,明顯被拉長(zhǎng),其中圓角部分的變形程度要大于筒壁部分,經(jīng)拉深實(shí)驗(yàn)后其變形程度由小到大依次為圓筒底部、筒壁部分、圓角部分,如圖11所示。

3 小結(jié)

(1)6061鋁合金材料在拉伸變形中沒(méi)有發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象,表現(xiàn)為脆性斷裂,斷口處韌窩不深,尺寸較小,大韌窩尺寸在13 μm左右,拉伸后晶粒畸變嚴(yán)重并沿著斷裂方向拉長(zhǎng),有明顯的沿晶和穿晶裂紋。

(2)6061鋁合金材料進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn),測(cè)得試樣在直徑為73 mm(初始49.6 mm)時(shí)拉裂,斷裂形式為韌窩斷裂和解理斷裂混合斷裂,拉深后圓筒拉深變形程度在不同部位有差異,圓筒底部變形＜筒壁部分變形＜圓角部分變形。