郭小農(nóng)　鄒家敏　劉林林　高舒羽

摘要：鋁合金材料的滯回性能是研究鋁合金結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ).針對國產(chǎn)6082T6和7020T6鋁合金，采用等幅升幅、等幅交替和循環(huán)拉伸3種不同的加載制度進(jìn)行循環(huán)加載試驗，最大應(yīng)變控制在±4%.試驗采用標(biāo)距與直徑比為1.5的小標(biāo)距試件防止其在循環(huán)加載時發(fā)生受壓失穩(wěn).小標(biāo)距試件和標(biāo)準(zhǔn)試件的單調(diào)拉伸結(jié)果對比表明，在4%的應(yīng)變范圍內(nèi)，小標(biāo)距試件和標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗結(jié)果相差很小，因此采用小標(biāo)距試件進(jìn)行循環(huán)加載試驗是可行的.通過循環(huán)加載試驗獲得了鋁合金材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及滯回特性.試驗結(jié)果顯示，鋁合金材料有良好的滯回性能和延性，加載方式對其骨架曲線有一定影響.

關(guān)鍵詞：鋁合金；循環(huán)加載試驗；滯回性能

中圖分類號：TU512.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Cyclic Loading Tests of Two Types

of Structural Aluminum Alloy

GUO Xiaonong， ZOU Jiamin， LIU Linlin， GAO Shuyu

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai200092， China）

Abstract：The hysteretic behavior of aluminum alloy is fundamental for studying the seismic behavior of aluminum alloy structures. A total of three different loading protocols， including cyclic ascending， cyclic alternating and cyclic tensile， with the maximum strain amplitude up to ±4%， were adopted for the 6082T6 and 7020T6. In order to avoid buckling， the small gauge specimen with lengthtodiameter ratio of 1.5 was adopted. The comparison of monotonous tensile results between the small gauge specimen and standard specimen revealed that the error of the two specimens was very small， which indicated the feasibility of the adoption of the small gauge specimens. The stressstrain relationship and hysteretic behavior of aluminum alloy were also obtained by cyclic loading test. The obtained results show that the aluminum alloy has good hysteretic behavior and ductility， and the load protocol influences its skeleton curve to a certain extent.

Key words：aluminum alloy； cyclic loading test； hysteretic behavior

由于鋁合金結(jié)構(gòu)具有自重輕、耐腐蝕和易加工等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛[1-2].隨著鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益增多，許多學(xué)者對鋁合金結(jié)構(gòu)的靜力承載性能進(jìn)行了深入研究[3-6]；同時，諸多學(xué)者對鋁合金結(jié)構(gòu)的抗震性能也開展了研究，2016年，同濟大學(xué)郭小農(nóng)等[7]對鋁合金板式節(jié)點網(wǎng)殼的阻尼特性進(jìn)行了試驗研究，并建議其阻尼比可取為3%.

6082T6鋁合金是我國近年來研發(fā)的新型合金牌號，其強度比6061T6略高而延伸率略低，主要用于鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件；7020T6鋁合金的強度更高，通常用于鋁合金結(jié)構(gòu)的連接螺栓以及節(jié)點板.在強震作用下，鋁合金構(gòu)件和節(jié)點均會經(jīng)歷較大的循環(huán)塑性變形，可能因為過大的塑性變形而斷裂，從而引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的破壞.為了深入研究鋁合金結(jié)構(gòu)在強震作用下的延性和耗能能力，首先需要研究鋁合金材料的滯回性能.

目前，國外對鋁合金本構(gòu)關(guān)系進(jìn)入了深入的研究[8]，并提出了諸多本構(gòu)關(guān)系模型.如Ramberg和Osgood[9]于1939年提出的三參數(shù)RambergOsgood模型；Baehre于1966年提出的貝爾模型[10]；Mazzolani在其著作《鋁合金結(jié)構(gòu)》中提出的馬佐拉尼模型[10].而在國內(nèi)，同濟大學(xué)郭小農(nóng)等[11]完成了45個國產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋁合金拉伸試驗，試驗結(jié)果表明國產(chǎn)結(jié)構(gòu)用鋁合金6061T6的本構(gòu)關(guān)系可以采用RambergOsgood模型表達(dá)，其指數(shù)n可以根據(jù)Steinhardt建議確定.

相對于單調(diào)拉伸本構(gòu)關(guān)系的研究，國內(nèi)外對于鋁合金材料滯回性能的研究還不夠成熟.1995年，Hopperstad等[12]對AA6060T4、AA6060T6鋁合金進(jìn)行了單軸滯回性能的試驗和數(shù)值研究，試驗應(yīng)變幅最大為1.2%，結(jié)果表明兩種材料的滯回曲線都比較飽滿，且表現(xiàn)出一定的包辛格效應(yīng)，其中T4試件表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化，而T6則表現(xiàn)出不明顯的循環(huán)軟化特性.2012年，意大利Matteis等[13]對ENAW1050AH24鋁合金（一種經(jīng)過熱處理后性能接近于純鋁的材料）進(jìn)行了擬靜力試驗，試驗結(jié)果表明材料具有良好的循環(huán)受力特性，滯回環(huán)穩(wěn)定飽滿，相同位移下拉壓應(yīng)力幅值基本一致，等向硬化現(xiàn)象明顯.2013年，波蘭Dusicka等[14]采用熱處理鋁合金6061T6511進(jìn)行了單調(diào)拉伸和循環(huán)加載試驗，試驗結(jié)果表明滯回曲線由初期線彈性直線段、平滑非線性過渡段和塑性發(fā)展段構(gòu)成，且卸載剛度與初始剛度基本相同.總體來說，目前歐洲學(xué)者對鋁合金材料滯回性能有一定研究，但材料的牌號有限；而國內(nèi)對于鋁合金滯回性能的研究則基本空白.

基于此，本文以6082T6和7020T6兩種牌號的鋁合金作為研究對象，在3種循環(huán)加載制度下進(jìn)行滯回性能試驗，研究鋁合金材料在循環(huán)荷載下的滯回性能.

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

試驗針對6082T6和7020T6兩種牌號的鋁合金材料，進(jìn)行-4%～+4%應(yīng)變幅的循環(huán)加載.

試驗中鋁合金材料的力學(xué)性能由單調(diào)拉伸試驗確定.單調(diào)拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[15]設(shè)計，具體尺寸如圖1（a）所示.其中，標(biāo)距段長度為65 mm，直徑為10 mm，標(biāo)距與直徑之比為5.0，夾持端直徑為20 mm.

為避免在循環(huán)加載試驗過程中發(fā)生受壓失穩(wěn)現(xiàn)象，循環(huán)加載試件采用了較小標(biāo)距.本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》[16]設(shè)計了小標(biāo)距循環(huán)加載試件，如圖1（b）所示.其中，標(biāo)距段長度為15 mm，直徑為10 mm，標(biāo)距與直徑之比為1.5，夾持端直徑為20 mm.

每種牌號的鋁合金材料分別設(shè)計3根單調(diào)拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)試件、1根單調(diào)拉伸試驗小標(biāo)距試件和3根對應(yīng)著3種不同循環(huán)加載制度的小標(biāo)距循環(huán)加載試件.試件編號如表1所示.

1.2加載制度

本試驗在上海交通大學(xué)力學(xué)實驗中心疲勞和斷裂聯(lián)合實驗室MTSLandmark （100 kN） 試驗機上進(jìn)行，試驗裝置見圖2.在試驗過程中，小標(biāo)距試件采用標(biāo)距為10 mm的引伸計采集變形.

循環(huán)加載的加載制度通過計算機編程實現(xiàn)，計算機通過名義應(yīng)變控制整個加載過程，試驗程序符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15248-2008.具體加載制度見表2及圖3.循環(huán)加載加載制度均采用三角波，加載應(yīng)變速率為0.000 5/s.在加載制度完成后，取下引伸計，將軸向力卸載至零，然后拉斷.

2試驗結(jié)果及分析

2.1單調(diào)拉伸試驗結(jié)果

為了驗證小標(biāo)距試件結(jié)果的合理有效性，首先完成了小標(biāo)距試件的單調(diào)拉伸試驗，并將其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗結(jié)果進(jìn)行了對比.單調(diào)拉伸試驗加載方式根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行.當(dāng)應(yīng)力小于名義屈服強度時，單調(diào)試驗的加載速率為0.1 mm/min；應(yīng)力達(dá)到名義屈服強度后再以0.5 mm/min的加載速率將試件拉斷.

圖4為標(biāo)準(zhǔn)試件和小標(biāo)距試件單調(diào)拉伸試驗后的破壞形態(tài)對比，表3為兩類試件單調(diào)試驗結(jié)果對比.AL6小標(biāo)距試件與標(biāo)準(zhǔn)試件破壞形態(tài)大致相同，在斷口附近有明顯的頸縮，斷口截面成杯口形狀；而AL7小標(biāo)距試件斷口附近頸縮不明顯，斷口截面接近于平面.從表3可以看出，標(biāo)準(zhǔn)試件單調(diào)拉伸得到的名義屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010要求；小標(biāo)距試件單調(diào)拉伸試驗的名義屈服強度和抗拉強度與標(biāo)準(zhǔn)試件相差較小，但因其標(biāo)距只有15 mm，頸縮段所占比例遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)試件，故斷后伸長率遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)試件.圖5為兩類試件的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線對比，從圖中可以看出在名義應(yīng)變εnom<0.040時，標(biāo)準(zhǔn)試件和小標(biāo)距試件的曲線基本重合，這說明小標(biāo)距試件在±4%應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)加載是可行的.

2.2真實應(yīng)力應(yīng)變曲線和名義應(yīng)力應(yīng)變曲線

對比

眾所周知，當(dāng)應(yīng)變較大時，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線和名義應(yīng)力應(yīng)變曲線之間會出現(xiàn)較大差異.為了衡量應(yīng)變范圍±4%以內(nèi)名義應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的準(zhǔn)確性，本節(jié)將單調(diào)拉伸得到的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線和真實應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了對比.真實應(yīng)力應(yīng)變的轉(zhuǎn)換公式如式（1）、式（2）所示，其中σ和ε分別為真實應(yīng)力和真實應(yīng)變，σnom和εnom分別為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變.

ε=ln 1+εnom（1）

σ=σnom1+εnom（2）

圖6列出了AL6和AL7小標(biāo)距試件的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線和名義應(yīng)力應(yīng)變曲線；表4給出了真實應(yīng)力和名義應(yīng)力的數(shù)值對比.從圖6可知，當(dāng)εnom=0.040時，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線和名義應(yīng)力應(yīng)變曲線已經(jīng)有明顯的分叉，越到后期分叉越大.從表4可以看出，當(dāng)名義應(yīng)變εnom=0.040時，對應(yīng)的名義應(yīng)力和真實應(yīng)力最大差別為4.18%；當(dāng)名義應(yīng)變εnom=0.050時，對應(yīng)的名義應(yīng)力和真實應(yīng)力最大差別為5.25%；而真實抗拉強度和名義抗拉強度的最大差別則達(dá)到了11.1%.由此可見，當(dāng)εnom>0.050時，宜采用真實曲線代替名義曲線.后文循環(huán)加載試驗的名義應(yīng)變均不超過5%，采用名義應(yīng)力應(yīng)變的偏差較小，故對試驗數(shù)據(jù)的分析討論均可直接采用名義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值.

2.3循環(huán)加載試驗結(jié)果

各循環(huán)加載試件的破壞形態(tài)如圖7所示，各試件編號標(biāo)注于圖中.其中，AL6a試件為受壓失穩(wěn)破壞，其余試件均為拉斷，斷口呈金屬光澤.AL7c、AL6c這兩根循環(huán)拉伸試件，試驗現(xiàn)象與單調(diào)拉伸試驗類似，有明顯的頸縮段，斷口呈杯口狀；AL7a、AL7b試件在試驗過程中沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口較單調(diào)拉伸試件更為平整；AL6b試件發(fā)生與單調(diào)拉伸試驗相似的頸縮現(xiàn)象，表現(xiàn)為塑性斷裂模式.

表5給出了循環(huán)加載試件的實測直徑和斷后伸長率，其中AL6a由于受壓失穩(wěn)，無法測量其斷后伸長率.由表5可以看出，除循環(huán)拉伸外，等幅升幅、等幅交替這兩種加載制度下的斷后伸長率均小于單調(diào)拉伸試驗（表2）.其原因是在循環(huán)拉伸的加載制度下，積累了較大的拉伸塑性變形，從而降低了斷后延伸率；同時也揭示了拉壓循環(huán)的累積塑性應(yīng)變對于鋁合金材料損傷的影響.另外還可以發(fā)現(xiàn)AL7試件的斷后伸長率小于AL6構(gòu)件，說明AL7鋁合金材料的塑性弱于AL6鋁合金材料，這也佐證了AL7小標(biāo)距試件破壞的斷口更加平整以及頸縮段不明顯的現(xiàn)象.

圖8為6根試件在循環(huán)加載制度下的名義應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線.從圖8可以看出鋁合金材料的滯回曲線比較飽滿，滯回性能較好.隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力也不斷上升，試件發(fā)生循環(huán)硬化；當(dāng)應(yīng)變增加到一定程度后，硬化現(xiàn)象不再明顯.表6給出了試件AL6a在每個循環(huán)應(yīng)變達(dá)到設(shè)定值時所對應(yīng)的應(yīng)力值.從表6和圖8可以看出，在同一應(yīng)變幅下的各圈滯回曲線并不完全重合，表現(xiàn)出一定的應(yīng)力強化現(xiàn)象.各級循環(huán)的卸載彈性模量大致相同，這說明循環(huán)塑性損傷對于鋁合金材料滯回性能影響不大.另外從圖8還可以看出，等幅升幅試件在第1圈循環(huán)中，其拉伸時的屈服點大于反向壓縮卸載時的屈服點，表現(xiàn)出一定的包辛格效應(yīng).

2.4單調(diào)拉伸曲線與循環(huán)骨架曲線比較

圖11分別為AL6和AL7兩類小標(biāo)距試件的單調(diào)拉伸曲線和各循環(huán)加載制度下第一象限骨架曲線的對比.從圖11可以看出，循環(huán)拉伸試件的骨架

曲線與單調(diào)拉伸試件的試驗曲線基本重合，這說明循環(huán)拉伸對鋁合金材料的本構(gòu)影響不大；而等幅升幅和等幅交替試件的骨架曲線在彈性段和單調(diào)拉伸試件曲線基本重合，在塑性段均高于單調(diào)拉伸曲線，這說明在循環(huán)加載中，試件出現(xiàn)了應(yīng)力強化現(xiàn)象.從圖11還可以看到，在曲線的轉(zhuǎn)折點處，各骨架曲線和單調(diào)拉伸曲線具有一定差異，骨架曲線提前進(jìn)入屈服段，而單調(diào)拉伸曲線的彈性段則更長.

3結(jié)論

本文完成了國產(chǎn)6082T6和7020T6鋁合金的循環(huán)加載試驗，通過試驗可以得出以下結(jié)論：

1）通過單調(diào)拉伸試驗證明小標(biāo)距試件和標(biāo)準(zhǔn)試件的實測應(yīng)力應(yīng)變曲線在5%應(yīng)變范圍內(nèi)差別很小，因而采用小標(biāo)距試件進(jìn)行循環(huán)加載試驗是可行的，且使用小標(biāo)距試件可避免試件在循環(huán)拉壓試驗中受壓失穩(wěn).

2）對比了單調(diào)拉伸試驗得到的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線和真實應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)果表明在名義應(yīng)變小于0.05時，真實應(yīng)力和名義應(yīng)力之間的最大差別為5.25%，因此，當(dāng)應(yīng)變小于0.05時，可以采用名義應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析試件的滯回性能.

3）循環(huán)加載會降低試件的斷后伸長率；在等幅交替和等幅循環(huán)加載方式下，試件延伸率下降最為嚴(yán)重；而在循環(huán)拉伸加載方式下，試件延伸率下降較小.

4）循環(huán)拉伸加載方式下，試件的骨架曲線基本和單調(diào)拉伸試驗曲線重合；而在等幅交替和等幅循環(huán)加載方式下，試件的骨架曲線在塑性段明顯高于單調(diào)拉伸試驗曲線.

5）試驗結(jié)果表明6082T6和7020T6這兩種牌號的鋁合金材料具有一定的耗能能力和延性，且7020T6鋁合金的耗能能力和延性弱于6082T6鋁合金.

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