6061铝合金高应变速率本构参数研究.pdf

第3 l 卷第6 期 2 0 1 1 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G v 0 1 ．3 l №6 D e c e m b e r2 0 ll 6 0 6 1 铝合金高应变速率本构参数研究① 刘再德1 ，王冠2 ⋯，冯银成2 ”，李落星2 ，3 1 ．深圳华加日铝业有限公司，广东深圳5 1 8 0 5 2 ；2 ．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙4 1 0 0 8 2 ；3 ．湖南大学材料科学与 工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 2 摘要通过冲击拉伸试验，研究了6 0 6 1 铝合金在自然时效态和人工时效态，在应变速率为0 ．0 0 1 一l5 0 0s “条件下的动态拉伸力 学行为。采用J o h n s o n C o o k 本构模型可以更真实地描述冲击载荷条件下6 0 6 1 铝合金的动态力学行为。结合试验数据，获得了自然 时效态和人工时效态6 0 6 1 铝合金的本构关系参数。研究表明，J o h n s o n - C o o k 本构模型适用于描述金属材料从低应变率到高应变率 下的动态行为，同样也可用于准静态变形的分析。 关键词铝合金；冲击拉伸试验；高应变速率；J o h n s o n C o o k 本构模型 中图分类号7 r G l 4 6 ．2 1 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 6 0 1 2 0 0 4 H i g h - - s t r a i n - - r a t eC o n s t i t u t i v eP a r a m e t e r so f6 0 6 1A l u m i n u mA l l o y s L I UZ a i ．d e l ，W A N GG u a n 2 ”，F E N GY i n ．c h e n 9 2 ”，L IL u o ．x i n 9 2 3 1 ．N o n f e m e tI n t e r n a t i o n a l C h i n a - C a n a d a - f a p a n A l u m i n i u mG oL t d ，S h e n z h e n5 1 8 0 5 2 ，G u a n g d o n g ，C h i n a ；2 ．S t a t e 研L a b o r a t o r yo fA d v a n c e d 胍协a n dM a n u f a c t u r ef o rV e h i c l eB o d y ，H u n a nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，H u n a n ， C h i n a ；3 ．C o l l e g eo f M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H u n a nU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t D y n s J I l i ct e n s i l em e c h a n i c a lb e h a v i o r so f6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yh a v eb e e ns t u d i e db yt e n s i l ei m p a c tt e s ta ts t r a i n r a t eo f0 ．0 0 1 15 0 0S “u n d e rn a t u r a la g i n ga n da r t i f i c i a la g i n gc o n d i t i o n s ．J o h n s o n - C o o kc o n s t i t u t i v em o d e lc a l lm 鹏 a c c u r a t e l yd e s c r i b et h ed y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o r so f6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yd u r i n gi m p a c tl o a d i n g ．B a s e do nt h ee x p e r i - m e n t a ld a t a ，t h ec o n s t i t u t i v ep a r a m e t e r so fn a t u r a la g i r I ga n da r t i f i c i a la s i n g6 0 6 1a l u m i n u ma l l o yw e r eo b t a i n e d ．T h e 陀- s u h ss h o wt h a tJ o h n s o n C o o kc o n s t i t u t i v em o d e li sa p p l i c a b l et od e s c r i b et h ed y n a m i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fm e t a l l i c m a t e r i a l sf r o mt h el o ws t r a i nr a t et oh i s hs t r a i nr a t ea n dc a l la l s ob eu s e df o rq u a s i s t a t i cd e f o r m a t i o na n a l y s i s ． K e yw o r d s a l u m i n u ma l l o y ；t e n s i l ei m p a c tt e s t ；h i s hs t r a i nr a t e ；J o h n s o n C o o kc o n s t i t u t i v em o d e l 6 0 6 1 铝合金属A I M g S i 系，是一类可热处理强化 的中高强度铝合金⋯，具有良好的工艺性和耐蚀性，较 高的韧性，可进行阳极氧化着色旧o ；无应力腐蚀破裂倾 向、焊接性能良好口’；在热状态下的塑性很好，可用来制 造结构复杂的、薄壁中空的挤压制品，还可进行模锻、拉 伸、深冲和各种变形程度很大的塑性变形加工。因此 6 0 6 1 铝合金作为结构材料广泛应用于建筑、交通和体育 等领域HJ ，尤其在汽车行业，替代钢用作汽车零部件，成 为地铁、列车、轻轨等轻量化、现代化的有效途径”q j 。 在铝合金快速成型、结构碰撞等过程中，材料将发 生高速变形。材料的屈服应力、强度极限以及伸长率 等参数在不同的变形速率及不同温度条件下将发生改 变。因此，分析工程结构件在冲击载荷下的响应时，需 要能描述材料在大应变、宽应变速率范围以及宽温度 范围力学行为的本构模型。典型的本构模型通常定义 为等效应力与等效塑性应变、等效塑性应变率和温度 的函数关系，高应变率下金属材料的本构关系包括基 于有效试验数据的纯经验性的本构模型 如J o h n s o n ， C o o k 和K h a n 等 归1 和基于材料变形机制的物理本构 模型 如Z e f i l h 等 0 1 。 本文利用冲击拉伸试验装置获得了6 0 6 1 铝合金 动态拉伸应力应变曲线，拟合得到了相应的J o h n s o n - C o o k 本构模型参数，为汽车铝合金结构件设计加工提 供理论依据。 1 动态冲击拉伸试验 1 ．1 试验装置及原理 图1 为旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置示 意图。当安装在高速旋转盘上的双片锤头撞击撞块 时，撞块与输入杆相连的接近理想弹塑性的前置金属 ①收稿E t 期2 0 1 1 4 6 - 2 6 作者简介刘再德 1 9 5 6 一 ，男，湖南长沙人。高级工程师，主要从事有色金属加工研究。 万方数据 第6 期刘再德等6 0 6 1 铝合金高应变速率本构参数研究 1 2 1 短杆便被拉断，从而在输入杆中产生拉应力方波脉冲。 脉冲传至试件，并在输入杆与输出杆中分别传播反射 波和透射波。前置金属短杆的作用既相当于脉冲发生 器，又相当于滤波器，滤掉了锤头撞击撞块时由于撞块 自由端的存在而引起的拉伸脉冲抖动，所以该装置产 生的拉伸脉冲平稳，并且脉冲的幅值、宽度和上升沿十 分容易控制，只要选用不同直径和长度的前置金属短 杆以及不同的撞击速度就可以在很大范围内获得不同 幅值、宽度和上升沿平稳的方波脉冲，从而可以实施不 同材料在不同应变率下的冲击拉伸试验1 。。 媳∑ ≥ 伙 l ‘1 i 飚 ≥ 与 ，＼ i 乙H 一 l 图1冲击拉伸试验装置及其测试原理示意 l 锤头；2 撞块；3 前置金属短杆；4 输入杆；5 试件； 6 输出杆；7 应变片；8 多通道超峁蠡应变仪；9 瞬态波 形存储器；l 卜计算机 根据一维应力波理论，试验件中的应力矿 t 、应 变8 t 和应变速率套 I 分别表示为 矿 t [ E A ／ 2 A ， ] [ 占l t 占， t 占； t ] 鲋／A 。 占。 t ． 1 一 占 t c o ／t 【[ 占i ￡ 一8 ， t 一8 t t ] d f 一 2 c o 他 【[ 色 t 一占。 t ] d r 2 ； t c j ／t [ 占i t 一F ， t 一占。 t ] 2 C o ／t [ 占i t 一占。 t ] 3 式中A ，和工。分别为试件试验段的横截面积和长度， C o 、A 和E 分别为图中输入杆和输出杆的弹性纵波波 速、横截面积和弹性模量；占； t 和占， t 分别为输入杆 上应变片测得的入射波和反射波应变信号；占。 t 为输 出杆上应变片测得的透射波应变信号。 1 ．2 试验结果 通过动态冲击拉伸试验得到了6 0 6 1 铝合金自然 时效态和人工时效态下3 组不同应变速率的应力应变 曲线。其真实应力应变曲线如图2 所示。由图2 可 知，两种状态下，在加载至极限强度的过程中，材料的 模量变化很小，但是随着应变速率的增加，材料的极限 强度相应增大，表现出应变速率强化效应。 真应变 图26 0 6 1 铝合金在不同应变率下的应力应变曲线 a 自然时效态； b 人工时效态 2 模型的选择及参数的确定 2 ．1 模型的选择 迄今已提出了多种本构模型来描述金属材料的率 相关动态响应，这主要有两类①经验本构模型，主要 包括J o h n s o n - C o o k J - C 模型、K l o o p C l i f t o n S h a w k i 模 型、C a m p b e H 模型、K l e p a c z k o 模型等；②基于物理学 的本构模型，主要包括H o g e - M u k h e r j e e 模型、P r e s t o n T o n k s w a l l a c e 兀w 模型、S t e i n b e r g G u i n a n 模型、 S t e i n b e r g - G u i n a n - L u n d S G L 模型、Z e r i l l i - A m s t r o n g Z A 模型、广义Z e f i U i A m s t r o n g 模型和M T S 模型等。 在上述模型中，J - c 模型是得到了广泛应用的模 型之一，如动力学程序L S D Y N A 、M S C 、D y t 舢和 A B A Q U S ／e x p l i c i t 均采用了该模型。它考虑了温度、应 变率和应变等因素，形式简单，具有清晰的物理解释， 同时参数较少并较容易得到。J C 模型适用于描述金 属材料从低应变率到高应变率下的动态行为，甚至可 以用于准静态变形的分析，因此针对前述试验结果采 用J ．C 模型进行描述。 J C 模型是一种经验型的粘塑性本构模型，这种 模型能够较好地描述金属材料的加工硬化效应、应变 率效应和温度软化效应。 J c 材料模型由两部分内容组成 万方数据 矿冶工程 第3 l 卷 1 只涉及应力，此时J C 本构关系的表达形式为 矿 A B e p “ 1 C l n ’ [ 1 一 r ’ “] 4 式中占。为真实塑性应变；量’为无量纲应变速率，善’ ∥8 0 ，占为有效塑性应变速率，；。为参考塑性应变速率 本文中取8 0 0 ．0 0 18 ‘1 ；T ’ r 一％ ／ L 一 死 ，为无量纲温度，r 为环境温度，死为室温，L 为材 料熔点温度；A 为屈服应力，M P a ；B 为幂指前系数， M P a ；n 为硬化系数；C 为应变率敏感性系数。其中A 、 曰、C 、m 、r t 为5 个待定系数，需要根据不同应变速率和 不同温度条件下的应力一应变曲线来拟合。这一部分 可由动态拉伸试验确定材料常数。 本文未考虑不同温度的影响，所有试验均在室温 下进行，即T 7 “ o ，因此式 4 可简化为 t l r A B 6 p “ 1 C l n 8 ‘ 5 2 只涉及断裂时的应变，其表达式为 F 7 [ D l D 2 e x p D 3 矿’ ] [ 1 D 4 l n 量‘] [ 1 D 5 r 。] 6 ． 式中矿’ p ／o “ 希，即压力与V o nM i s e s 等效应力的比 值；损伤参数D ∑ A 8 ／8 ， l 时断裂发生，其中‘ A e 为积分循环期间的等效塑性应变增量。可由圆筒 爆炸试验来完成这一部分相关系数的确定。 2 ．2 参量的拟合 根据试验结果拟合J - C 模型的参量，数据处理过 程分为2 步。 1 确定应变率敏感性系数C 。在固定的应变值 岛下，通过不同应变速率下的数据拟合出参数C ，此 时，将式 5 简化为 盯 D 1 C l n 拿 D D C I n 导 7 8 08 n 其中D A B 6 p 4 ，通过拟合求出D 、D C ，D C ／D 即得到 值C 。 2 选取一条应力应变曲线，将经推导而得到的参 量C 代入本构关系中，在曲线中取不同应变值占。下所 对应的应力盯，通过拟合来求得参量A ，B ，r t 。 基于上述步骤，最终得到6 0 6 1 铝合金人工时效态 的J C 模型的4 个参量为A 2 0 5 ．7 8 ，B 1 3 0 ．5 9 ，，l 0 ．3 5 7 ，C 0 ．0 1 5 。由此可得出6 0 6 1 铝合金人工时效 态的动态塑性本构方程为 矿 2 0 5 ．7 8 1 3 0 ．5 9 占，0 3 5 7 1 0 ．0 1 5 I n 善 8 。 印 同理，根据上述步骤也可求出6 0 6 1 铝合金自然时 效态的J ．C 模型的4 个参量分别为A 6 9 ．5 2 ，B 1 0 6 ．9 9 ，，l 0 ．3 7 3 ，C 0 ．0 9 0 6 。6 0 6 1 铝合金自然时效 态的动态塑性力学本构关系为 盯 6 9 ．5 2 1 0 6 ．9 9 8 奶 1 o ．n 善 9 。a 0 9 0 6 1 ．‘岛1 ’。 图3 为6 0 6 1 铝合金不同条件下由J C 模型得到的 模拟曲线与试验曲线的对比。由图3 可知，试验曲线和 模拟曲线较为接近，这也验证了所得到的J C 模型参量 的准确性。从图3 b 可以看出，J C 模型得到的动态本 构关系也可以很好地分析准静态下的变形。 真应变 图36 0 6 1 铝合金不同条件下模拟曲线与试验曲线的对比 a 自然时效态； b 人工时效态 3 结论 1 动态冲击拉伸试验得到的6 0 6 1 铝合金自然时 效态和人工时效态下的应力应变曲线表明，两种状态 下，在加载至极限强度的过程中，材料的模量变化很 小，但是随着应变速率的增加，材料的极限强度相应增 大，表现出应变速率强化效应。 2 基于J C 模型，6 0 6 1 铝合金挤压件人工时效态的 动态塑性本构方程为盯 2 0 5 ．7 8 1 3 0 ．5 9 8 。0 ‘3 5 7 X 1 0 ．0 1 5 I n 孚 ，自然时效态的动态塑性本构方程 S O 为盯 6 9 ．5 2 1 0 6 ．9 9 e o o “ 扔 1 0 ．0 9 0 6 1 n 导 。 占0 3 模拟曲线和试验曲线的对比说明，J c 模型适 用于描述金属材料从低应变率到高应变率下的动态行 为，同样也可用于准静态变形的分析。 万方数据 第6 期刘再德等6 0 6 1 铝合金高应变速率本构参数研究 参考文献 [ 1 ] 黄伯云，李成功，石力开．中国材料工程大典 第4 卷 有色金 ． 属材料工程 上 [ M ] ．北京化学工业出版社．2 0 0 5 ． [ 2 ] 李晶．合金元素对A l - 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m e c h a a i c s - b a s e dc o n s t i t a f i v en e l a t i o n sf o rm a t e r i a ld y n a m i c sc a l c u l a t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fA p - 硝e dP h y s i c s ，1 9 8 7 ，6 1 5 1 8 1 6 1 8 2 5 ． [ 1 1 ]汪洋，夏源明．杆型冲击拉伸试验装置一维试验原理有效性 论证[ J ] ．试验力学，1 9 9 “ ／，1 2 1 1 2 6 1 3 4 ． 矿冶杂志2 0 1 2 年征稿征订启事 矿冶 季刊 创刊于1 9 9 2 年，由中国有色金属工业协会主管，北京矿冶研究总院主办的公开刊 物 葛等≠端 ，是有色行业权威技术期刊。报道矿冶行业的新流程、新技术、新设备，传播行业 最新科技信息。 矿冶主要栏目有采矿与选矿；冶金与材料；设备与自动化；环境与再生资源；工艺矿物学与分析 测试等。 ● 荣获中国有色金属工业总公司优秀科技期刊二等奖； ●被美国化学文摘收录； ● 中国科技核心期刊；被中国学术期刊 光盘版 全文收录； ● “中国科学文献计量评价研究中心”评价数据的来源期刊。 投稿网址h t t p ／／k y ．b g r i m m ．c n 矿冶定价1 0 元，全年4 期，共4 0 元。全国各地邮局 所 均可办理，邮发代号8 0 一3 5 7 。也可直 接和编辑部联系。订阅方式如下 1 ．邮局汇款 收款单位北京矿冶研究总院矿冶编辑部 地址北京市南四环西路1 8 8 号十八区2 3 号楼 邮编1 0 0 0 7 0 2 ．银行汇款 户名北京矿冶研究总院 ．开户行中国工商银行北京百万庄支行 账号0 2 0 00 0 1 40 9 0 89 0 0 50 3 8 联系人孙风芹联系电话0 1 0 6 3 2 9 9 7 5 3 传真0 1 0 6 3 2 9 9 7 5 4 E m a i l k u a n g y e b g r i m m ．c o r n 万方数据