馮擎峰１,姚再起１,葉 拓２,朱 凌１,王震虎２,郭鵬程２,李落星２

(１．寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司,寧波 ３１５０００;

２．湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 ４１００８２)

摘 要:采用分離式霍普金森壓桿裝置對(duì)６０１３ＧT４鋁合金在不同溫度(２５,２００,３００ ℃)和應(yīng)變速率(１０００,２０００,３０００,４０００,５０００s－１)下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),研究了該鋁合金在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,并采用試驗(yàn)擬合得到的JohnsonＧCook本構(gòu)方程,對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明:６０１３ＧT４鋁合金具有明顯的應(yīng)變速率和應(yīng)變硬化效應(yīng),動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小;室溫下合金的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率不敏感,但隨變形溫度的升高,屈服強(qiáng)度的應(yīng)變速率敏感性增強(qiáng);基于室溫準(zhǔn)靜態(tài)與不同溫度和應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)

變曲線,確定了鋁合金的JohnsonＧCook本構(gòu)方程;不同溫度和應(yīng)變速率下真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線的數(shù)值模擬結(jié)果與本構(gòu)方程擬合和試驗(yàn)結(jié)果均吻合的較好.

關(guān)鍵詞:６０１３ＧT４鋁合金;動(dòng)態(tài)力學(xué)行為;應(yīng)變速率敏感性;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào):TG１５６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ００８５Ｇ０６

DynamicMechanicalBehaviorandNumericalSimulationof６０１３ＧT４

AluminumAlloyatDifferentTemperaturesandStrainRates

FENGQingfeng

１,YAOZaiqi１,YETuo２,ZHULing

１,WANGZhenhu２,GUOPengcheng

２,LILuoxing

２

(１．NingboGeelyAutomobileResearchDevelopmentCo．Ltd．,Ningbo３１５０００,China;

２．StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufactureforVehicleBody,HunanUniversity,Changsha４１００８２,China)

Abstract:Dynamiccompressiontestof６０１３ＧT４aluminumalloywasconductedbysplitHopkinsonpressure

barapparatusatdifferenttemperatures (２５,２００,３００ ℃)andstrainrates (１０００,２０００,３０００,４０００,

５０００s－１),anddynamicmechanicalbehaviorunderimpactloadwasinvestigated．Numericalsimulationofdynamic

impactexperimentwascarriedoutbythefittedJohnsonＧCookconstitutiveequation．Theresultsshowthat６０１３ＧT４

aluminumalloyhadsignificantstrainrateandstrainhardeningeffect,andthedynamicflowstressdecreasedwith

increaseofdeformationtemperature．Theyieldstrengthatroomtemperaturewasinsensitivitytostrainrate．As

deformationtemperatureincreased,thestrainratesensitivityofyieldstrengthgraduallyincreased．Basedonthe

quasiＧstaticatroomtemperatureanddynamictruestressＧtruestraincurvesatdifferenttemperaturesandstrain

rates,JohnsonＧCookconstitutiveequationofthealloywasdetermined．ThesimulatedresultsoftruestressＧtrue

straincurvesatdifferenttemperaturesandstrainrateswereconsistencewiththeexperimentalandconstitutive

results．

Keywords:６０１３ＧT４aluminumalloy;dynamicmechanicalbehavior;strainratesensitivity;numericalsimulation

０ 引 言

與傳統(tǒng)鋼鐵材料相比,鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要材料[１Ｇ３].６０１３鋁合金是目前汽車、武器和航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的鋁合金之一,該鋁合金在服役過(guò)程中除了承受室溫準(zhǔn)靜態(tài)載荷外,還要面臨不同溫度下的沖擊、爆炸等動(dòng)態(tài)載荷的作用.在動(dòng)態(tài)載荷的作用下,材料的應(yīng)變速率通?？蛇_(dá)到１×１０３ ~

１×１０４s－１.眾所周知,材料的力學(xué)響應(yīng)行為隨變形溫度和應(yīng)變速率的不同而顯著不同[４Ｇ５],而大多數(shù)的金屬材料都會(huì)表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變速率效應(yīng)[６].A３５６、A３５７、F３５７鋁合金在動(dòng)態(tài)載荷作用下的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大,與準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的 相 比,其 流 變 應(yīng) 力 增 加 了 ４％ ~８％[７].LEE

等[１]和 FAN 等[８]在研究６０６１ＧT６鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為時(shí)都發(fā)現(xiàn)了該鋁合金具有明顯的應(yīng)變速率敏感性,６００５ＧT６鋁合金在高應(yīng)變速率的載荷作用下也表現(xiàn)出類似的特征[９].變形溫度在２５~４００ ℃范圍內(nèi),６０６１ＧT６鋁合金的動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力隨溫度的升高而不斷減小[８];變形溫度在－１５０~２５ ℃范圍內(nèi),２０２４ＧT４和７０７５ＧT６鋁合金的流變應(yīng)力隨溫度的升高而不斷減小[１０];武永甫等[１１]采用分離式霍普金森壓桿裝置研究了７０７５ＧT６鋁合金在２５~４００ ℃范圍內(nèi)的流變應(yīng)力,表明該鋁合金的流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而逐漸減小,但在３５０~４００ ℃時(shí)流變應(yīng)力對(duì)溫度不敏感.因此,應(yīng)變速率和變形溫度都會(huì)影響鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[１２Ｇ１３],且鋁合金在不同工況條件下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律也并不相同.當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到１×１０４s－１時(shí),由于局部的溫升效應(yīng),６０６１鋁合金

的流變應(yīng)力不再增加[１４];文獻(xiàn)[１５Ｇ１６]的研究結(jié)果表明 LC４和 LY１２ＧCZ鋁合金在高應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而基本不變.

雖然霍普金森壓桿裝置能夠獲得材料在高應(yīng)變速率下的力學(xué)行為,但要實(shí)現(xiàn)鋁合金在汽車、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用,還需建立有效的力學(xué)本構(gòu)模型來(lái)表征其力學(xué)響應(yīng)行為,并能夠進(jìn)行仿真分析.JohnsonＧCook模型簡(jiǎn)稱JＧC模型,其形式簡(jiǎn)單且考慮了應(yīng)變速率和溫度效應(yīng)的影響,可以對(duì)金屬材料的應(yīng)力響應(yīng)行為進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),是現(xiàn)有動(dòng)

態(tài)塑性變形仿真商業(yè)軟件中最常用的本構(gòu)模型.目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金在動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)行為及本構(gòu)方程已進(jìn)行了一定研究[５Ｇ１７],但研究?jī)?nèi)容比較單一且缺乏系統(tǒng)性,絕大部分研究都是針對(duì)室溫下的變形行為,很少有關(guān)于鋁合金在高溫沖擊載荷下變形行為與仿真分析的報(bào)道,特別是工業(yè)上應(yīng)用較廣的６０１３鋁合金.因此,為了更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化,提高輕量化６０１３鋁合金結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中的穩(wěn)定性,作者采用霍普金森壓桿裝置研究了６０１３ＧT４ 鋁合金在不同溫度和應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,同時(shí)通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù),探討了采用JＧC本構(gòu)模型表征６０１３鋁合金在不同溫度和應(yīng)變速率下變形行為的可行性.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為商業(yè)６０１３鋁合金,采用 XJＧ８００臥式金屬型材擠壓機(jī)擠壓成截面直徑為２５mm 的鋁合金棒材,然后進(jìn)行 T４處理,實(shí)測(cè)化學(xué)成分如表１所示.采用火花放電線切割機(jī)在擠壓棒材上切割加工出?８mm×４mm 的圓柱形壓縮試樣,取樣位置和顯微組織如圖１所示,試樣的組織呈纖維狀分布.

圖１ 鋁合金試樣的取樣位置和顯微組織

Fig.１ Samplingplace a andmicrostructure b

ofaluminumalloysample

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)在INSTRONＧ４２０６型電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變速率為０．００１s－１;不同溫度下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)裝置,應(yīng)變速率分別為１０００,２０００,３０００,４０００,５０００s－１,試驗(yàn)溫度分別為室溫(２５ ℃),２００ ℃和３００ ℃.試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取３個(gè)試樣的平均值.試驗(yàn)前在試樣表面和壓頭間涂潤(rùn)滑劑,圓柱形試樣放置在入射桿和反射桿之間,通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓室中氮?dú)獾臍鈮簛?lái)控制子彈撞擊入射桿的速度,從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所設(shè)定的應(yīng)變速率.子彈 長(zhǎng) 度 為 ２００ mm,入 射 桿 與 反 射 桿 長(zhǎng) 度 均 為１４００mm,子彈和壓桿直徑均為１４mm.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 力學(xué)行為

由圖２可知:室溫下試驗(yàn)合金的屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變速率不敏感,屈服后不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一定偏離,表現(xiàn)出一定的應(yīng)變速率敏感性;準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下,試驗(yàn)合金的流變應(yīng)力明顯低于動(dòng)態(tài)載荷下的流變應(yīng)力,且屈服后流變應(yīng)力的增加速率較慢,即合金在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的應(yīng)變硬化率較低,當(dāng)真應(yīng)變?cè)黾又粒埃保泛?流變應(yīng)力基本不再增加;與準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用時(shí)相比,動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下試驗(yàn)合金的流變應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加而顯著增大,且屈服后試驗(yàn)合金動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力的增加速率也明顯增大,即在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下試驗(yàn)合金表現(xiàn)出很強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng);在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下,試

驗(yàn)合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大,表現(xiàn)出明顯的正應(yīng)變速率敏感性和應(yīng)變速率硬化效應(yīng);當(dāng)應(yīng)變速率增加至５０００s－１時(shí),其流變應(yīng)力在變形后期不但沒(méi)有增加,反而略有下降,這可能是由于在該應(yīng)變速率下動(dòng)態(tài)壓縮所引起的局部溫升軟化大于應(yīng)變速率硬化和應(yīng)變硬化的緣故[１８].