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．湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙 ４１００８２)

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

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

關鍵詞:６０１３ＧT４鋁合金;動態(tài)力學行為;應變速率敏感性;數(shù)值模擬

中圖分類號:TG１５６ 文獻標志碼:A 文章編號: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、比強度和比剛度高等優(yōu)點,是實現(xiàn)汽車輕量化的重要材料[１Ｇ３].６０１３鋁合金是目前汽車、武器和航空航天領域中應用最為廣泛的鋁合金之一,該鋁合金在服役過程中除了承受室溫準靜態(tài)載荷外,還要面臨不同溫度下的沖擊、爆炸等動態(tài)載荷的作用.在動態(tài)載荷的作用下,材料的應變速率通?？蛇_到１×１０３ ~

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

等[１]和 FAN 等[８]在研究６０６１ＧT６鋁合金的動態(tài)力學響應行為時都發(fā)現(xiàn)了該鋁合金具有明顯的應變速率敏感性,６００５ＧT６鋁合金在高應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鋁合金的動態(tài)流變應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)的流變應力,表明該鋁合金的流變應力隨變形溫度的升高而逐漸減小,但在３５０~４００ ℃時流變應力對溫度不敏感.因此,應變速率和變形溫度都會影響鋁合金的動態(tài)力學性能[１２Ｇ１３],且鋁合金在不同工況條件下的力學響應規(guī)律也并不相同.當應變速率達到１×１０４s－１時,由于局部的溫升效應,６０６１鋁合金

的流變應力不再增加[１４];文獻[１５Ｇ１６]的研究結(jié)果表明 LC４和 LY１２ＧCZ鋁合金在高應變速率下的流變應力隨應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變速率下的力學行為,但要實現(xiàn)鋁合金在汽車、航空航天、武器裝備等領域的大規(guī)模應用,還需建立有效的力學本構(gòu)模型來表征其力學響應行為,并能夠進行仿真分析.JohnsonＧCook模型簡稱JＧC模型,其形式簡單且考慮了應變速率和溫度效應的影響,可以對金屬材料的應力響應行為進行比較準確的預測,是現(xiàn)有動

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,國內(nèi)外對鋁合金在動態(tài)載荷下的力學行為及本構(gòu)方程已進行了一定研究[５Ｇ１７],但研究內(nèi)容比較單一且缺乏系統(tǒng)性,絕大部分研究都是針對室溫下的變形行為,很少有關于鋁合金在高溫沖擊載荷下變形行為與仿真分析的報道,特別是工業(yè)上應用較廣的６０１３鋁合金.因此,為了更好地進行結(jié)構(gòu)設計、分析與優(yōu)化,提高輕量化６０１３鋁合金結(jié)構(gòu)在服役過程中的穩(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變速率下的動態(tài)力學行為,同時通過數(shù)值仿真技術,探討了采用JＧC本構(gòu)模型表征６０１３鋁合金在不同溫度和應變速率下變形行為的可行性.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為商業(yè)６０１３鋁合金,采用 XJＧ８００臥式金屬型材擠壓機擠壓成截面直徑為２５mm 的鋁合金棒材,然后進行 T４處理,實測化學成分如表１所示.采用火花放電線切割機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

準靜態(tài)壓縮試驗在INSTRONＧ４２０６型電液伺服試驗機上進行,應變速率為０．００１s－１;不同溫度下的動態(tài)壓縮試驗采用分離式霍普金森壓桿(splitHopkinsonpressurebar,SHPB)裝置,應變速率分別為１０００,２０００,３０００,４０００,５０００s－１,試驗溫度分別為室溫(２５ ℃),２００ ℃和３００ ℃.試驗試驗數(shù)據(jù)取３個試樣的平均值.試驗前在試樣表面和壓頭間涂潤滑劑,圓柱形試樣放置在入射桿和反射桿之間,通過調(diào)節(jié)氣壓室中氮氣的氣壓來控制子彈撞擊入射桿的速度,從而實現(xiàn)試驗所設定的應變速率.子彈 長 度 為 ２００ mm,入 射 桿 與 反 射 桿 長 度 均 為１４００mm,子彈和壓桿直徑均為１４mm.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 力學行為

由圖２可知:室溫下試驗合金的屈服強度對應變速率不敏感,屈服后不同應變速率下的真應力Ｇ真應變曲線呈現(xiàn)一定偏離,表現(xiàn)出一定的應變速率敏感性;準靜態(tài)載荷作用下,試驗合金的流變應力明顯低于動態(tài)載荷下的流變應力,且屈服后流變應力的增加速率較慢,即合金在準靜態(tài)載荷下的應變硬化率較低,當真應變增加至０．１７后,流變應力基本不再增加;與準靜態(tài)載荷作用時相比,動態(tài)沖擊載荷作用下試驗合金的流變應力隨真應變的增加而顯著增大,且屈服后試驗合金動態(tài)流變應力的增加速率也明顯增大,即在動態(tài)沖擊載荷作用下試驗合金表現(xiàn)出很強的應變硬化效應;在動態(tài)沖擊載荷作用下,試

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