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车用铝合金的变形及断裂行为研究

作　者: 吕丹
导　师: 陈剑虹；朱亮
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 铝合金应力状态应变率断裂机理有限元模拟
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

汽车轻量化是节能、环保以及经济发展的需求。铝合金因其较小的密度、良好的塑性、以及较高的比强度已成为汽车制造业的重要轻质材料。交通工具一个重要的性能指标就是耐撞击性。在撞击的过程中,构件上的应力状态及应变率各点均不相同,而且在撞击的过程中各点的应力状态及应变率还随着时间的变化而变化。用有限元分析方法模拟铝合金碰撞是研究铝合金构件耐撞击性的重要方法,利用计算机模拟技术进行空间框架结构的变形、吸能和失效模式的研究可以缩短开发周期,降低开发费用。但是这些有限元分析软件在实际应用中仍然存在很多问题,有时其模拟结果与试验结果存在较大的差异。究其原因不是有限元软件本身的问题,而是在有限元建模时缺乏准确的描述材料变形行为的本构关系以及描述材料失效和断裂的损伤模型。本文通过大量的实验研究以及各种力学参数的测定,分析6061铝合金材料在不同应力状态及不同应变率下微观结构损伤演化破坏规律,为建立可以描述6061铝合金变形行为的本构关系和正确的有限元模型奠定了基础。本文主要研究以下几个方面:一、通过对多种铝合金的对比分析,确定6061铝合金能够通过优化工艺达到车用型材所要求的尺寸偏差、力学性能、耐蚀性能和外观质量的要求,而且价格合理,所以最终确定我们的研究对象为6061铝合金。二、为实现不同的应力状态设计了不同的缺口拉伸试样。通过对不同缺口试样进行准静态拉伸,研究了6061铝合金在不同应力状态的力学性能和断裂行为。结果表明:随着缺口半径增大,三轴应力度是降低的。随着三轴应力度的降低,材料的峰值载荷降低,断面收缩率和断裂应变均增大:显微断口上的韧窝越来越均匀细小,剪切唇区面积逐渐增大;放射区的山脊状的锯齿数量逐渐减少,但深度增加。三、设计可实现不同的应力状态的缺口试样,在SEM-520扫描电镜下进行原位拉伸实验,研究了6061铝合金试样的断裂过程。研究结果表明:不同应力状态下的铝合金试样在拉伸过程中其表面均产生了大量的滑移带,但断裂机理不同。随着三轴应力度的降低,从韧窝聚合型和韧窝聚合混合剪切断裂机制向纯剪切断裂机制过渡,试样的微观断口也表现出由韧窝断裂模式向剪切断裂模式的演变;6061铝合金晶界是其最薄弱环节,微裂纹形核于晶界,随载荷的增加,微裂纹长大和扩展。微裂纹之间的扩展或剪切连接导致试样断裂;试样最小截面上的三轴应力度越小,试样断口上韧窝的取向就越明显,断口越光滑。四、通过不同应变率的平板拉伸试验,研究了6061铝合金材料在不同应变率下的变形和断裂行为。结果表明:随着应变率的增大,铝合金的屈服强度略有增大,断裂应变,断裂强度和抗拉强度基本不变。在相当高的应变率的范围内,材料的应变率敏感性才显现出来:随着应变率的增加,材料的屈服强度和抗拉强度,断裂应变均增大。当应变率到达一定的临界值时,材料中出现了反向应变率弱化效应。随着应变率的增大,断口上的韧窝越来越具有明显的方向性。同时断口上剪切平面所占的比例也越来越多,即随着应变率的增加,材料的剪切断裂机制的趋势增加。五、利用常见的落锤冲击试验机,配合示波冲击仪,将试样固定在自行设计的夹具装置上,进行不同速度的冲击拉伸拉断试验和拉伸卸载试验;通过光学显微镜和扫描电镜对断口和卸载试样进行观察分析,研究6061铝合金材料在冲击载荷作用下的力学行为。试验结果表明:6061铝合金受冲击载荷时的断裂行为与准静态拉伸相比无明显变化,损伤形式仍是由晶界处的微孔洞连接形成微裂纹。宏观上仍产生明显颈缩,试样的断裂面与拉伸轴方向大约成45°角。摆锤高度不同,试样表面的变形带不同。摆锤高度为141°,出现了“白色变形带”,白的变形带并不是相变的结果,而是当应变率达到一定临界值时产生的,之所以为白色是一种腐蚀效应。从断口上看是典型的正断,以滑移变形为主。微观断口是由韧窝组成,且随冲击速度的增加,韧窝形貌略有变化,冲击速度为141°时的韧窝比其他冲击速度下的韧窝要小,原因是材料变形速度太快,孔洞还未发育完全,试样就已经断裂了。总之,6061铝合金具有良好的塑性,落锤的冲击速度还不足以对6061铝合金的断裂行为产生太大影响。

车用铝合金的变形及断裂行为研究

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