应力三轴度和应变率对6063铝合金力学性能的影响及材料表征

ZHU Hao1 , ZHU Liang1 ,2 , CHEN Jian2hong1 ,2
( 1. College of Materials Science and Engineering of Lanzhou univ of Tech , Lanzhou 730050 , China ; 2. State Key Laboratory of Gansu Ne w Non2Ferrous Metal Materials , Lanzhou 730050 , China)
【Abstract】 The specimens of 6063 aluminum alloy are tensioned under different stress triaxiality and different strain rates , the mechanical properties of 6063 aluminum alloy can be drawn. It is found that the equivalent elastic modulus and equivalent yield stress decrease with stress triaxiality decreasing , but the equivalent fracture strain increases with the stress triaxiality decreasing. The yield stress (σy) and fracture stress (σf ) increase slightly with the increase of strain rates , and but the fracture strain (εf ) decreases obviously with the increase of strain rates , the ultimate strength (σb) remains constant basically. The Johnson2cook constitutive model and fracture strain model
SHIMADZU AG210TA 万能拉伸机上进行不同角度的拉伸试 验 ,使得 在 蝶 形 试 样 中 心 处 产 生 不 同 的 应 力 状 态 来 测 定 6063 铝合金在不同的应力状态下的力学性能 。拉伸速度为 1mmΠmin。蝶形试样的形状及改装的 Arcan 夹具及 Arcan 夹 具试验 原 理 示 意 图 如 图 3 , 试 验 数 据 如 表 1 , 试 验 曲 线 如 图 4。
收稿日期 :2006207202 ;修订日期 :2006209205 基金项目 :国家重大基础研究前期研究专项资助项目 (2004CCA04900) 作者简介 :朱 浩 (1975 - ) ,男 ,博士研究生 ,主要从事材料损伤与断裂的研究 。E2mail : zhuhao @mail2. lut. cn。
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(3)
即 A = 176. 45MPa , B = 63. 99MPa , n = 0. 07 。
3. 2 不同应力状态下拉伸试验结果及讨论
在室 温 下 , 蝶 形 试 样 利 用 改 装 的 Arcan 夹 具[9] 在
图 3 蝶形试样 、改装的 Arcan 夹具及 Arcan 夹具试验原理示意图 Fig. 3 Butterfly specimen , modified Arcan fixture and
在室温下 ,用标准平板拉伸试样在 SHIMADZU AG210TA 万能拉伸机进行拉伸 ,拉伸速度为 0. 5mmΠmin。试验得到材 料的工程应力 - 应变曲线如图 2 所示 ,通过数据拟合得出 了 Johnson2cook 本构方程中第一项的表达式 :
σ = 176. 45 + 63. 99ε0. 07
【关键词】 6063 铝合金 ;应力三轴度 ;应变率 ;Johnson2cook 模型 ;材料表征 中图分类号 : TG146 文献标识码 :A
Influence of Stress Triaxiality and Strain Rate on the Mechanics Behavior of 6063 Aluminum Alloy and Material Characterization
本实验所用的材料是挤压的 Al2Mg2Si 系的 6063 铝合金 板材 ,板厚为 2mm ,供货状态为 T6 。材料微观组织如图 1 所 示 ,材料中各元素百分含量如下 :Mg :0. 45～0. 9 ; Si :0. 2～ 0. 6 ;Zn ,Cr ,Ti 和 Mn < 0. 1 ;Fe < 0. 35 。
Schematic diagram of modified Arcan fixture
图 4 (a) 是试验时的等效应力 - 应变曲线 ,从图可以看 出 :随着加载角度的增大 ,等效应力 - 应变曲线越来越低 , 等效弹性模量越来越小 ,最终材料的断裂应变越来越大 。 图 4 (b) 是试验时等效应力在 90 度方向上分解的剪切应力 - 剪切应变曲线 ,从图可以看出 : 随着加载角度的增大 ,切 应力 - 应变曲线逐渐升高 ,而且剪切断裂应变也逐渐增大 。 上述原因都是因为随着加载角度的增大 ,在试样中的三轴 应力逐渐减小所致 。断裂应变与三轴应力之间的关系曲线 如图 4 (c) 所示 :从图可以看出 ,随着三轴应力的减小 ,断裂 应变呈幂指数增加 。通过 Origin 软件的指数拟合得出了断 裂应变与三轴应力之间的关系式 ,即 Johnson2cook 断裂模型 第一项的表达式 :
【 Key words】 6063 aluminum alloy ; stress triaxiality ; strain rate ; Johnson2cook Model ; materials characterization
1 前 言
为了适应节能环保的要求 ,大量的铝合金成为交通工 具的主要用材 。交通工具一个重要性能指标就是耐撞击 性[1] 。铝合金汽车构件在撞击过程中 ,构件的应力状态和 应变率各点均不相同 ,而且在撞击过程中各点的应力状态 和应变率还随着时间变化而变化 。文献 [2] 研究了 6063 铝合 金在不同应变率 、不同温度下的流变应力的变化规律 ,但是 并没有 给 出 具 体 的 本 构 方 程 。文 献[3] 研 究 了 AA5754 和 AA5182 铝合金在不同应变率 、应力状态及温度下的本构关
系 ,并用 Johnson2cook 的本构方程拟合的试验数据 ,得出了两 种铝合金在不同应力状态 、应变率及温度下的流变应力演 化的本构方程 ,但是并没有给出相应的断裂模型 。
本文系统地研究了不同应力状态及不同应变率对 6063 铝合金的力学性能的影响 ,并利用 Johnson2cook 本构模型及 其断裂应变模型对 6063 铝合金在不同应力状态及不同应变 率下的力学性能进行表征 。材料表征 [46] 实质上就是对 6063 铝合金不 同 应 力 状 态 和 不 同 应 变 率 下 力 学 性 能 参 数 的 测 定 ,并考虑了应变 、应变率和热软化效应对材料力学性能的 影响 , 从 而 得 到 适 合 不 同 应 力 及 不 同 应 变 率 下 材 料 的 Johnson2cook 本构关系和失效模型的参数 ,为下一步进行有
图 1 轧制的 6063 铝合金的微观组织 Fig. 1 microstructure of extrusion 6063 aluminum alloy
通过平板拉伸试验 、蝶型试样在 Arcan 夹具不同角度的 拉伸试验 、不同应变率的平板拉伸试验 ,测得了 6063 铝合金 在不同 应 力 状 态 和 不 同 应 变 率 下 的 材 料 力 学 性 能 , 并 用 Johnson2cook 本构模型和断裂模型对所有的试验数据进行拟 合 ,得出 6063 铝合金在不同应力状态和不同应变率下的本 构模型和断裂模型的方程 。 3. 1 平板拉伸试验
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第 25 卷第 3 期
朱 浩 ,等. 应力三轴度和应变率对 6063 铝合金力学性能的影响及材料表征
朱 浩1 ,朱 亮1 , 2 ,陈剑虹1 , 2
( 1. 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 ,甘肃 兰州 730050 ; 2. 兰州理工大学 有色金属合金省部共建教育部重点实验室 ,甘肃 兰州 730050)
【摘 要】 对 6063 铝合金试样在不同应力三轴度和不同应变率下进行拉伸试验 ,得到了该合金在这两种情况 下的力学性能 。研究结果表明 :随着应力三轴度的减小 ,材料的等效弹性模量 、等效屈服应力减小 ,但等效断裂应 变增大 ;随着应变率逐渐增大 ,材料的屈服强度和断裂强度略有增大 ; 断裂应变明显减小 ; 抗拉强度基本不变 。 Johnson2cook 本构模型及其断裂应变模型可以用来描述 6063 铝合金在不同三轴应力度和不同应变率下的本构及失 效关系 。通过材料表征 ,得出了 Johnson2cook 本构模型及其断裂应变模型中各个参数 ,为有限元 (ABAQUS) 模拟提 供帮助 。
第25卷 第3期 Vol 1 2 5 No 1 3
材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science & Engineering
总第107期 J un . 2 0 0 7
文章编号 :167322812( 2007) 0320358205
应力三轴度和应变率对 6063 铝合金力学性能的影响及材料表征
ε
σ = ( A + Bεn ) 1 + Cln
1 - ( T3 ) m
(1)
ε0
这里 , T 3 = ( T - Tr )Π( Tm - Tr ) ,ε0 为参考应变率 ; Tm 为材
料的熔点 ; Tr 为参考温度 (一般取室温) 。
Johnson2cook 断裂应变模型 :
εf =
σ
D1
+
D2
exp
can be used to describe the constitutive and failure relations of 6063 aluminum alloy under different stress triaxiality and different strain rates. The constants of model are received to use for FEM simulation through materials characterization.
(
D3
m
σ
)
e
ε D4
1+ ε0
[ 1 + D5 T 3 ]
(2)百度文库
这里 ,σmΠσe 为三轴应力度 ,σm 为静水压力 ,σe 为 Mises 等效
应力 。A , B , n , C , m , D1 , D2 , D3 , D4 , D5 为材料常数 。
3 试验结果及材料表征方法
图 2 平板拉伸的工程应力 - 应变曲线 Fig. 2 Stress2strain curves of flat tensile
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限元模拟奠定基础 。
2 Johnson2cook 本构模型
在粘塑性力学和连续介质损伤力学的基础上 ,考虑了
材料在大变形 、高应变速率和绝热的条件下 ,Johnson 和 Cook
于 1983 年提出一个经验性的本构模型[58] 。该模型认为 ,材
料的屈服流变应力可以表示为应变 、应变率和温度的函数 :