挤压态6013-T4铝合金在动态冲击载荷下的变形行为及其微观机理

doi:10.11901/1005.3093.2018.504

挤压态6013-T4铝合金在动态冲击载荷下的变形行为及其微观机理

叶拓¹^,²^,³, 吴远志^,¹^,³, 刘安民¹^,³, 唐徐², 李落星²

1. 湖南工学院汽车零部件技术研究院衡阳 421002

2. 湖南大学汽车车身先进设计与制造国家重点实验室长沙 410082

3. 湖南工学院机械工程学院衡阳 421002

Deformation Behavior and Micro-mechanism of As-extruded 6013-T4 Al Alloy under Dynamic Impact Loading

YE Tuo¹^,²^,³, WU Yuanzhi^,¹^,³, LIU Anmin¹^,³, TANG Xu², LI Luoxing²

1. Research Institute of Automobile Parts Technology, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China

2. State Key Laboratory Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China

3. School of Mechanical and Engineering, Hunan University, Changsha 421002, China

通讯作者: 吴远志，副教授，博士，ranco007@163.com，研究方向为汽车轻量化材料

责任编辑: 吴岩

收稿日期: 2018-08-13 修回日期: 2018-09-18 网络出版日期: 2019-02-25

基金资助:

国家自然科学基金.  51501061
国家重点研发计划.  2016YFB0101700
湖南省自然科学基金.  2018JJ4031
衡阳市科技指导性项目.  2017KJ254

Corresponding authors: WU Yuanzhi, Tel:(0734)3452060, E-mail:ranco007@163.com

Received: 2018-08-13 Revised: 2018-09-18 Online: 2019-02-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.  51501061
National Key Research and Develop-ment Plans.  2016YFB0101700
Natural Science Foundation of Hunan Province.  2018JJ4031
Hengyang Science and Technology Guidance Project.  2017KJ254

作者简介 About authors

叶拓，男，1987年生，讲师

摘要

使用霍普金森压杆试验装置进行挤压态6013-T4铝合金的室温动态压缩实验，应变速率为1×10³~3×10³ s^-1。结果表明，6013-T4铝合金在动态压缩过程中表现出明显的应变硬化和正应变速率敏感性；随着应变和应变速率的提高位错密度增大，在高应变速率和大应变量变形后试样的位错塞积显著。在相同的变形条件下0°方向试样的应力总是最高，而45°方向试样的应力最低。挤压态6013-T4合金的主要织构类型为{112}<111>和{110}<111>。对于{112}<111>织构，0°、45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27、0.49和0.41。对于{110}<111>织构，最大施密特因子分别为0.27、0.43和0.41。0°方向的施密特因子最小，使该方向的应力水平较高。在相同的应变速率和应变量条件下动态压缩变形时，0°方向试样的位错密度更高。在冲击件的材料选择和结构设计中有必要考虑材料的应变速率敏感性、力学性能各向异性以及微观组织的演变。

关键词： 金属材料 ; 6013-T4铝合金 ; 动态压缩 ; 各向异性 ; 微观组织演变

Abstract

Dynamic compression tests of the as-extruded 6013-T4 Al-alloy were carried out via split Hopkinson pressure bar at room temperature with strain rates ranging from 1×10³ s^-1 to 3×10³ s^-1. The results show that the alloy exhibits obvious strain hardening and positive strain rate sensitivity. The density of the dislocation increases with the increasing strain and strain rate. High strain rate and large strain deformation lead to the pile-up of dislocations. Under the same impact condition, the 0° specimen displays the highest stress level, and the 45° specimen has the lowest one. The Schmid factors for each type of the main texture components were calculated. The max Schmid factors are 0.27 for 0°, 45° and 90° specimens, and 0.49 and 0.41 for {112}<111> texture; they are 0.27, 0.43 and 0.41 for {110}<111> texture. The Schmid factors of 0° specimens are always the smallest, which results in a higher stress level. When the specimens were dynamic compressed under the same strain and strain rate, the dislocation density of 0° specimen is the highest. Therefore, it is necessary to consider the strain rate sensitivity, anisotropic mechanical behavior and microstructure evolution in the material selection and structural design of components subjected impact loads.

Keywords： metallic materials ; 6013-T4 aluminum alloy ; dynamic compression ; anisotropy ; micro-structure evolution

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本文引用格式

叶拓, 吴远志, 刘安民, 唐徐, 李落星. 挤压态6013-T4铝合金在动态冲击载荷下的变形行为及其微观机理. 材料研究学报[J], 2019, 33(2): 109-116 DOI:10.11901/1005.3093.2018.504

YE Tuo, WU Yuanzhi, LIU Anmin, TANG Xu, LI Luoxing. Deformation Behavior and Micro-mechanism of As-extruded 6013-T4 Al Alloy under Dynamic Impact Loading. Chinese Journal of Materials Research[J], 2019, 33(2): 109-116 DOI:10.11901/1005.3093.2018.504

铝合金具有低密度、中高强度、成形性和耐腐蚀性能良好等特点，得到了广泛的应用^[1,2]。制造汽车的保险杠和吸能盒等安全件以及装甲车辆的轮毂和隔框等零部件，都使用铝合金代替钢材以实现轻量化^[3]。为了提高和改善铝合金部件的力学性能，通常采用挤压、轧制和冲压等塑性变形加工和成形 ^[4,5,6]。塑性变形后材料的微观组织发生强烈的变化，如析出相的析出和回溶、有规律的晶粒取向以及动态回复和再结晶等^[7,8,9]。这些变化，显著影响材料的强度和塑性等机械性能。而材料的宏观性能，在很大程度上受显微组织的影响。在设计和制造铝合金零件时需要考虑材料的微观组织演变，通过改善组织特征提高合金的力学性能一直都受到极大的关注。

目前关于铝合金的微观组织和力学性能的研究，大多是在中低应变速率条件下进行变形实验^[10,11]。值得注意的是，在交通和国防工业等领域铝合金的高应变速率响应非常重要。一方面，在零部件的生产过程中高速冲压、电磁成形和高速切削等高应变速率成形越来越多^[12,13,14]。另一方面，铝合金部件的服役环境极其复杂苛刻，承受不同形式的载荷^[15]。因此，关于铝合金材料在高应变速率变形下的力学性能和微观组织演化的研究有极为重要的意义。

6013铝合金是一种典型的Al-Mg-Si合金，具有良好的力学、耐腐蚀和焊接性能，在航天航空、汽车制造和军事装甲等领域得到了广泛的应用^[16]。关于6013铝合金在中低应变速率条件下的变形已经进行了比较深入的研究^[17,18]，本文研究在较大应变速率条件下挤压态6013-T4铝合金的力学响应、微观组织演变和微观机理。

1 实验方法

实验所用材料为挤压态6013-T4铝合金棒材，其化学成分为0.9-Cu，0.95-Mg，0.75-Si，0.35-Mn和0.2-Fe(质量分数,%)，其余为Al。将直径为85 mm的圆柱形铝铸锭放入加热炉中，升温至560℃后均匀化处理16 h。使用8MN卧式挤压机将铝锭热挤压成直径为25 mm的圆棒，挤压筒的直径为90 mm，挤压比为13，挤压速率为4 m/min，通过水雾将挤压圆棒淬火至室温后停放1个月。

用线切割机对6013-T4铝合金在与挤压方向成0°、45°、90°方向进行下料，动态压缩试样的直径为8 mm厚度为4 mm(图1)。所有力学性能测试在同一时间段内完成，使用应变环得到在不同应变速率下应变量相同的压缩试样，以便对比分析其微观组织。

图1

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图1 6013-T4铝合金的切样示意图

Fig.1 Schematic diagram of 6013-T4 aluminum alloy sample

使用分离式霍普金森压杆(SHPB：split Hopkinson pressure bar)系统(图2)完成动态压缩实验。在实验过程中，试样放在入射杆与透射杆之间。使用该设备的数据采集系统记录入射、反射和透射的应变-时间曲线。在均匀性假设的基础上，根据一维应力波理论和式(1)-(3)计算每次冲击的应力、应变量和应变速率。

(1) $ε = - 2 \frac{C_{0}}{L} \int_{0}^{t} ε_{r} d t$

(2) $\dot{ε} = - 2 \frac{C_{0}}{L} ε_{r}$

(3) $σ = E \frac{A}{A_{S}} ε_{t}$

式中， $ε_{r}$ 为输入杆的应变量； $ε_{t}$ 为透射杆的应变量；L为试样的初始长度；C₀= $\sqrt[]{\frac{E}{ρ}}$ ( $ρ$ 为压杆的质量密度)为波的传播速度；A和A_S分别为压杆和试样的横截面积；E为两个压杆材料的杨氏模量。

图2

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图2 SHPB实验装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of SHPB experimental device

使用5%HBF₄水溶液腐蚀试样，时间1~3 min，电压20 V，用光学显微镜观察其微观组织。使用XRD衍射仪进行织构测试，衍射仪的管电流为40 mA，管电压为40 kV。采用背反射法测试织构，根据Bunge球谐函数分析和级数展开法计算相应的取向分布函数ODF(orientation distribution function)图。对4个面(111)，(200)，(220)和(311)进行测量。用于透射电镜观察的样品其取样部位为与压缩轴垂直的纵截面中间位置，织构和微观组织的观测部位如图3所示。先将样品机械减薄，然后进行电解双喷制成观察样品。电解双喷仪的型号为MTP-1A，温度为-25℃，电解液为30%硝酸和70%甲醇溶液(体积比)。用Tecnai G2 20进行观察，加速电压为200 kV。

图3

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图3 微观组织观测面的示意图

Fig.3 Schematic diagram of microstructure observation plane

2 结果和讨论

2.1 动态冲击载荷下的应力-应变曲线

图4表明，高应变速率下的应力-应变曲线呈波浪状，在应变硬化之后有一个明显的屈服，之后随着应变量的增加应力不断增加但是硬化效果减弱。在铝合金材料的变形过程中，加工硬化和动态软化这两个对立过程同时存在。在塑性变形中大量的滑移系被激发，位错增殖和位错间的相互作用使材料产生应变硬化。在热激活和外加应力的作用下位错通过攀移或交滑移发生合并和重组，使材料发生动态回复。高速冲击是一个绝热过程，随着应变速率的提高绝热温升增大，材料热激活作用增强，晶格的热振动能变大，原子平均动能和扩散速率增加。这些因素，增强了动态回复引起的软化。同时，材料还表现出明显的正应变速率敏感性和力学性能各向异性。

图4

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图4 6013-T4铝合金的动态压缩真应力-真应变曲线

Fig.4 True stress-true strain curves of 6013-T4 alloy under dynamic compression (a) 1000 s^-1, (b) 2000 s^-1, (c) 3000 s^-1

图5给出了6013-T4铝合金0°方向试样在应变速率2000 s^-1时不同应变量条件下的位错组织。当应变量为0.25时合金基体内部的位错密度较低，以少量的位错线或者位错墙形式分布。当应变量为0.5时位错密度显著提高，大量的位错相互缠结。当应变量为0.75时位错密集，出现明显的位错塞积现象。在铝合金的动态变形过程中，随着应变量的增大位错滑移和位错之间的交互作用使位错密度不断提高。同时，位错组织由相互缠结的形式向位错胞发生转变，甚至形成细小的亚晶结构。

图5

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图5 6013-T4铝合金0°方向试样在不同应变量下的透射图

Fig.5 TEM images of 6013-T4 alloy 0° specimens under dynamic compression with different strains (a) 0.25, (b) 0.5, (c) 0.75

2.2 应变速率敏感性

图6给出了应变量为0.05和0.1时，挤压态6013-T4铝合金在不同应变速率条件下的真实应力。由图6可见，在高应变速率冲击变形过程中6013-T4铝合金的真实应力随着应变速率的增加而增加，表现出明显的正应变速率敏感性，0°方向试样的应变速率敏感性最高，45°方向试样最低。

图6

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图6 6013-T4铝合金的应变速率敏感性

Fig.6 Strain rate sensitivity of 6013-T4 alloy under dynamic compression with different strains (a) strain=0.05, (b) strain=0.1

图7给出了6013-T4铝合金0°方向试样经高应变速率压缩相同应变量后的位错组织形貌。图7表明，随着应变速率的增加位错密度不断增加。当应变速率为1000 s^-1时晶粒组织中的位错密度较低，且分布不均匀。当应变速率为2000 s^-1时晶粒内部的位错密度明显增加，部分位错开始有序缠结形成位错墙。当应变速率达到3000 s^-1时晶粒内部的位错密度显著增加，位错分布趋于均匀，大量的位错堆积在基体内部。高速压缩变形过程中，材料的塑性变形使位错密度迅速增加。当应变速率较高时很短的变形时间使位错的移动受到极大地的限制，从而出现大量的位错塞积。应变速率与位错密度间的关系可用Orowan公式

(4) $\dot{ε} = ρ b v$

图7

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图7 6013-T4铝合金0°方向试样不同应变速率冲击后的透射电镜照片

Fig.7 TEM images of 6013-T4 alloy 0° specimen compressed with different strain rates (a) 1000 s^-1, (b) 2000 s^-1, (c) 3000 s^-1

描述^[19]。式中，b为柏氏矢量，ρ为位错密度，ν为位错平均速率。

由式4可以看出，应变速率和位错密度之间呈正相关的关系，即应变速率增加时位错密度也增加。材料的变形抗力增加引起材料的应力增加，因此6013-T4铝合金表现出正应变速率敏感性。

2.3 力学性能各向异性

图8给出了6013-T4铝合金在不同应变速率特定应变条件下的真实应力。6013-T4铝合金不同方向试样在动态冲击条件下的应力各不相同，说明挤压态6013-T4铝合金具有力学性能各向异性，其中0°方向试样的应力水平最高，45°最低。

图8

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图8 6013-T4铝合金的力学性能各向异性

Fig.8 Anisotropic mechanical properties of 6013-T4 aluminum alloy (a) strain=0.05; (b) strain=0.1

图9给出了6013-T4铝合金的初始显微组织，可见挤压后的材料由细长纤维晶粒组成，表现出明显的挤压特征。从纤维组织的不同方向压缩晶粒的细化机制不同，从而使沿不同加载方向的应力不同^[20]。在常温下，当纤维组织的拉长方向与压缩方向平行时铝合金的强度最高，当与纤维组织成45°时力学性能最差。

图9

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图9 6013-T4铝合金的初始显微组织

Fig.9 Optical microstructure of extruded 6013-T4 aluminum alloy

图10给出了挤压态6013-T4铝合金材料的织构ODF图。由图10可见，主要的织构组分为{112}<111>和{110}<111>织构，是典型的铝合金变形织构，强度分别为17.9和18.5。可用Schmid因子描述挤压织构对材料力学性能的影响。在晶体产生塑性变形的过程中，不同滑移系的应力达到一个临界值，称临界剪切应力。剪切应力可表示为^[21]

(5) $τ_{n d} = σ_{y} = \frac{P}{A} c o s ϕ c o s λ$

图10

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图10 挤压态6013-T4铝合金的ODF图

Fig.10 ODF of extruded 6013-T4 aluminum alloy

式中，A为加载力作用平面；P为加载力； $ϕ$ 为加载方向和正交平面的夹角； $λ$ 为滑移方向和加载方向的夹角； $σ_{y}$ 为材料的屈服强度；施密特因子为

(6) $M = c o s ϕ c o s λ$

根据对不同方向试样的计算，{112}<111>织构在0°、45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27，0.49和0.41。{110}<111>织构在0°，45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27，0.43和0.41。施密特因子表征晶体滑移系开动的难易程度。0°方向试样的施密特因子总是最低，在该方向的硬取向最多，45°方向试样的施密特因子总是最高，在该方向的软取向较多。因此，0°方向试样的强度最高，45°方向试样的强度最低。

图11给出了当应变速率2000 s^-1时不同方向的挤压态6013-T4铝合金试样在相同应变量条件下的透射组织形貌。0°、45°和90°试样基体内部的位错密度较高，出现了位错塞积，并形成了大量的位错墙。0°方向的位错密度更高，位错塞积的现象更明显，位错相互缠结形成的位错墙也相对较多，应变硬化效果更明显，抵抗塑性变形的能力更强。45°和90°方向试样基体内部的位错密度比0°方向低，在宏观性能上45°和90°方向试样的力学性能较低。

图11

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图11 挤压态6013-T4铝合金不同方向试样高速冲击后的透射电镜照片

Fig.11 TEM images of 6013-T4 alloy samples under dynamic impact with different directions (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°

3 结论

(1) 挤压态6013-T4铝合金在高速冲击变形过程中表现出显著的应变硬化行为和正应变速率敏感性，真实应力随着应变和应变速率的提高而增大。应变量和应变速率对位错组织有显著的影响，位错密度随着应变和应变速率的增大而提高，高应变速率和大应变量变形后试样的位错塞积显著。

(2) 挤压态6013-T4铝合金在动态载荷下的力学性能具有明显的各向异性，0°方向试样的应力最高，90°方向试样的应力略高于45°方向试样。合金的主要织构类型为{112}<111>和{110}<111>，两种织构在0°，45°和90°方向试样对应的最大施密特因子分别为0.27，0.49，0.47和0.27，0.43，0.41。挤压态6013-T4铝合金在0°方向的施密特因子最小，在该方向硬取向较多，应力较高。在相同应变速率和应变量条件下压缩变形时0°方向的位错密度更高，位错缠结显著。