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)汽車車身先進設(shè)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(yīng)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(xué)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(yīng)變速率和應(yīng)變硬化效應(yīng),動態(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度對應(yīng)變速率不敏感,但隨變形溫度的升高,屈服強度的應(yīng)變速率敏感性增強;基于室溫準(zhǔn)靜態(tài)與不同溫度和應(yīng)變速率下的動態(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)方程擬合和試驗結(jié)果均吻合的較好.

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

中圖分類號:TG１５６ 文獻標(biāo)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(lǐng)域中應(yīng)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(zhǔn)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(yīng)變速率通常可達到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)的金屬材料都會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變速率效應(yīng)[６].A３５６、A３５７、F３５７鋁合金在動態(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鋁合金的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為時都發(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 ℃時流變應(yīng)力對溫度不敏感.因此,應(yīng)變速率和變形溫度都會影響鋁合金的動態(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)變速率達到１×１０４s－１時,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[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)模型來表征其力學(xué)響應(yīng)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(yīng)變速率和溫度效應(yīng)的影響,可以對金屬材料的應(yīng)力響應(yīng)行為進行比較準(zhǔn)確的預(yù)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(xué)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(guān)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(yīng)用較廣的６０１３鋁合金.因此,為了更好地進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)變速率下的動態(tài)力學(xué)行為,同時通過數(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(xué)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(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗在INSTRONＧ４２０６型電液伺服試驗機上進行,應(yīng)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(yīng)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)?。硞€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(shè)定的應(yīng)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(xué)行為

   由圖２可知:室溫下試驗合金的屈服強度對應(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,試驗合金的流變應(yīng)力明顯低于動態(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)變增加至０．１７后,流變應(yīng)力基本不再增加;與準(zhǔn)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(yīng)力隨真應(yīng)變的增加而顯著增大,且屈服后試驗合金動態(tài)流變應(yīng)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(yīng)變硬化效應(yīng);在動態(tài)沖擊載荷作用下,試

驗合金的流變應(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,其流變應(yīng)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(yīng)變速率下動態(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].

   由圖３并結(jié)合圖２可知:試驗合金的動態(tài)流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小,室溫下屈服強度對應(yīng)變速率不敏感,但隨變形溫度的升高,屈服強度的應(yīng)變速率敏感性增強.此外,試驗合金在高溫下的最大流變應(yīng)力對應(yīng)變速率不敏感.

   圖４為６０１３ＧT４鋁合金各溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)變硬化率Ｇ真應(yīng)變曲線,表征了合金應(yīng)變硬化行為的演變過程.由于 SHPB 試驗所獲得的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線的彈性段與材料的彈性模量存在偏差,故應(yīng)變硬化率Ｇ真應(yīng)變曲線不考慮彈性段[１９].由圖可知,在準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)載荷下,試驗合金所表現(xiàn)出的應(yīng)變硬化行為存在顯著差異,準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)變

   硬化率明顯低于同溫度下動態(tài)載荷下的應(yīng)變硬化率,這表明合金的應(yīng)變硬化能力具有明顯的應(yīng)變速率效應(yīng).準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的應(yīng)變硬化率隨真應(yīng)變的變化趨勢可大致分成３個階段:第１階段,應(yīng)變硬化率隨真應(yīng)變的增加而迅速降低;第２階段,應(yīng)變硬化率隨真應(yīng)變 的 增 加 而 增 加,一 直 持 續(xù) 到 真 應(yīng) 變 約 為０．０２５;第３階段,應(yīng)變硬化率隨真應(yīng)變的增加而緩慢降低.動態(tài)沖擊載荷下,試驗合金在不同溫度下的應(yīng)變硬化行為存在顯著差異.室溫下試驗合金的應(yīng)變硬化率隨真應(yīng)變的變化關(guān)系同樣可分成３個階段,但與準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的相比,其應(yīng)變硬化率的演變規(guī)律略有不同,這表現(xiàn)為:第２階段,隨應(yīng)變速率的增加,應(yīng)變硬化率基本不變;第３階段,應(yīng)變硬化率的下降速度明顯加快,這主要是由于在變形中后期,試驗合金的應(yīng)變硬化能力逐漸減弱而絕熱溫升軟化效應(yīng)不斷增加所致.隨變形溫度的升高,合金屈服后的應(yīng)變硬化能力逐漸增強,使得原室溫下非常明顯的第２階段逐漸消失,當(dāng)變形溫度升高至３００ ℃時,應(yīng)變硬化率在整個變形過程中均隨應(yīng)變的增加而減小.

２．２ 應(yīng)變速率敏感性

   作者選取真應(yīng)變?yōu)椋埃埃?０．１０,０．１５,０．２０時的真應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線,研究試驗合金的應(yīng)變速率敏感性.由圖５可知:室溫和２００℃時,試驗合金的真應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線基本相同,較小應(yīng)變下的真應(yīng)力均與應(yīng)變速率成線性關(guān)系,當(dāng)真應(yīng)變增加至０．１５和０．２０后,流變應(yīng)力先隨應(yīng)變速率的增加而增加,當(dāng)應(yīng)變速率增加至４０００s－１后,流變應(yīng)力開始減小.變形溫度為３００ ℃時,試驗合金４個特定應(yīng)變下的真應(yīng)力與應(yīng)變速率關(guān)系曲線的

變化趨勢基本相同.流變應(yīng)力先隨應(yīng)變速率的增加而增大,當(dāng)應(yīng)變速率增加至某一臨界值后,流變應(yīng)力開始減小.試驗合金流變應(yīng)力開始減小的臨界應(yīng)變速率隨應(yīng)變的增加逐漸降低.為進一步了解材料的應(yīng)變速率效應(yīng),引入應(yīng)變速率敏感系數(shù)m

[１９].

m ＝(σ２ －σ１)/ln(ε??２/ε??１) (１)

   式中:σ２ 和σ１ 分別為相同應(yīng)變下應(yīng)變速率分別為

ε??２ 和ε??１ 時的應(yīng)力.

   由表２可知:當(dāng)變形溫度不高于２００℃時,試驗鋁合金表現(xiàn)出明顯的正應(yīng)變速率敏感性,但在高應(yīng)變載荷下當(dāng)變形進行到中后期時,由于絕熱溫升軟化效應(yīng),試驗合金表現(xiàn)為負(fù)的應(yīng)變速率敏感性.變形溫度為３００ ℃時,試驗鋁合金首先表現(xiàn)為正的應(yīng)變速率敏感性,在變形進行到中后期時則表現(xiàn)為負(fù)的應(yīng)變速率敏感性.

３ JohnsonＧCook本構(gòu)模型

   JohnsonＧCook模型建立在傳統(tǒng)無序金屬材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)之上,是針對金屬材料在大變形、高

應(yīng)變速 率 載 荷 下 的 流 變 行 為 提 出 的 一 種 經(jīng) 驗 模型[２０Ｇ２１],其表達式為

   σ＝(A ＋Bεn )[１＋Cln(ε??/ε??０)]１－T －TrTm －Tr?è???÷m(２)

   式中:A 為材料的屈服強度,B 和n 分別為材料應(yīng)變硬化模量和硬化指數(shù);C 為材料應(yīng)變速率強化參數(shù);ε,ε?? 和ε??０ 分別為塑性應(yīng)變、當(dāng)前應(yīng)變速率和準(zhǔn)靜態(tài)參考應(yīng)變速率;T,Tr 和 Tm 分別為當(dāng)前溫度、參考溫度和熔化溫度;m 為材料熱軟化指數(shù).

   作者選取ε??０＝０．００１s－１為參考應(yīng)變速率,２５℃為參考 溫 度,結(jié) 合 不 同 溫 度 下 應(yīng) 變 速 率 分 別 為１０００,３０００,４０００s－１時的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變數(shù)據(jù),求得JohnsonＧCook模型的參數(shù),如表３所示.

   子彈和霍普金森壓桿材料為高強鋼,采用線彈性材料模型進行模擬,其密度為７．８５×１０－９t??mm－３,彈性模量為２１０GPa,泊松比為０．３.６０１３ＧT４鋁合金的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為采用JohnsonＧCook本構(gòu)模型來描述,其密度為２．７×１０－９t??mm－３,彈性模量為６８GPa,泊松比為０．３３,JohnsonＧCook本構(gòu)模型參數(shù)如表３所示.接觸類型選擇面面自動接觸,忽略各接觸面之間的摩擦.為減少沙漏效應(yīng),接觸算法采用罰函數(shù)法.采用將試驗所測得的速度直接加載給子彈的方式進行試驗的仿真模擬.采集試驗數(shù)據(jù)的應(yīng)變片位于入射桿與反射桿中間,仿真分析時選取入射桿和反射桿中點的兩單元作為輸出,得到入射波和反射波的應(yīng)變Ｇ時間曲線,然后利用兩波法重構(gòu)并得到試驗合金的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線.由圖８可知:數(shù)值模擬、試驗及本構(gòu)模型擬合３種方法得到的試驗合金在不同溫度和不同應(yīng)變速率下真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線的變化趨勢基本相同,試驗得到的屈服強度比本構(gòu)模型擬合和模擬得到的屈服強度明顯要低,但在變形中后期,３種方法得到的流變應(yīng)力偏差較小.以上結(jié)果表明,JohnsonＧCook本構(gòu)模型和有限元模擬可以較準(zhǔn)確地得到６０１３ＧT４鋁合金在不同溫度與應(yīng)變速率下的動態(tài)力學(xué)行為.

５ 結(jié) 論

   (１)與準(zhǔn)靜態(tài)載荷相比,６０１３ＧT４ 鋁合金在動態(tài)沖擊載荷作用下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變速率和應(yīng)變硬化效應(yīng);合金動態(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度對應(yīng)變速率不敏感,但隨變形溫度的升高,屈服強度的應(yīng)變速率敏感性增強.

   (２)基于室溫準(zhǔn)靜態(tài)與不同溫度和應(yīng)變速率下的動態(tài)真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線,確定了能夠表征６０１３ＧT４鋁合 金 在 不 同 應(yīng) 變 速 率 和 溫 度 下 JohnsonＧCook本構(gòu)方程.

    (３)建立了 SHPB 試驗的有限元模型,不同溫度與應(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)方程擬合和試驗結(jié)果吻合得較好.

（材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2017年 > 7期 > pp.85）