閆 明，董陽華，王一焱

(常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇常州 213025)

屈服強(qiáng)度是金屬材料抵抗外力防止發(fā)生微量塑性變形的應(yīng)力，也是最直觀表現(xiàn)金屬材料承載能力的重要指標(biāo)，因此準(zhǔn)確的計算和測量金屬材料的屈服強(qiáng)度是力學(xué)性能檢驗(yàn)的基礎(chǔ)工作[1]。一般來講，金屬材料在拉伸狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下所表現(xiàn)出的性能存在一定差異，在產(chǎn)品設(shè)計階段需全面分析產(chǎn)品實(shí)際工況下的受力狀態(tài)，從而選擇合適的力學(xué)參數(shù)作為選材依據(jù)。選材時，金屬材料最重要的力學(xué)性能參數(shù)是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，若實(shí)際工況下主承壓應(yīng)力的產(chǎn)品仍以此法選材則存在一定的盲目性和安全隱患，因此，明確不同狀態(tài)下材料的屈服強(qiáng)度，加深對金屬材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行研究是十分必要的[2]。本文將以3A21 鋁合金作為研究對象，探究3A21 鋁合金材料在壓縮狀態(tài)下近似屈服強(qiáng)度的測定方法。

1 常規(guī)屈服強(qiáng)度的測定方法

1.1 明顯屈服材料

明顯屈服是指材料在承受的應(yīng)力大于一定數(shù)值后，雖應(yīng)力不再增加，但材料仍然發(fā)生變形的現(xiàn)象。通常來講在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服平臺，屈服強(qiáng)度一般通過拉伸試驗(yàn)的“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線來計算，在屈服階段，應(yīng)力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服力，應(yīng)力保持不變時的力稱為屈服力，不計瞬時效應(yīng)的屈服階段最小應(yīng)力稱為下屈服力，與試樣截面積的比值即為上屈服強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度[3]。

1.2 無明顯屈服材料

一些金屬材料由于其內(nèi)部塑性變形存在非同時性，導(dǎo)致材料在受力時觀測不到明顯的屈服現(xiàn)象，這類材料稱為無明顯屈服材料。這類材料的屈服強(qiáng)度的傳統(tǒng)測定方法為通過拉伸試驗(yàn)獲得“力-延伸”曲線，通過作輔助線與曲線的相交的截點(diǎn)確定所求規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的應(yīng)力（產(chǎn)生0.2%殘余變形時的應(yīng)力），與試樣截面積的比值即為非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2。GB/T228-2010 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法中詳細(xì)要求了滯后環(huán)法、逼近法、平行線法等作圖方法，試驗(yàn)人員可自行判斷曲線形狀選擇最合適的方法來確定屈服強(qiáng)度[4]。高端萬能材料試驗(yàn)機(jī)也可通過引伸計傳導(dǎo)形變數(shù)據(jù)至計算機(jī)自動計算Rp0.2，相比于畫圖法既提高了工作效率也提高了準(zhǔn)確性。

1.3 微觀計算模型

除以上通過拉伸試驗(yàn)來測定屈服強(qiáng)度的一般方法外，對于鋁合金時效強(qiáng)化前后組織變化與力學(xué)性能的研究，人們?yōu)樘剿鞫咧g的關(guān)系，建立了不同的強(qiáng)度計算模型，力學(xué)性能的差異性在微觀上主要表現(xiàn)在微觀組織種類、大小和數(shù)量的區(qū)別，因此在計算模型上，自變量主要為材料內(nèi)部組織尺寸、剪切模量、合金濃度等參數(shù)[5-10]。該方法主要目的在于研究材料內(nèi)部微觀變化與力學(xué)性能之間關(guān)系，由于其計算和試驗(yàn)過程復(fù)雜，一般不用于成熟產(chǎn)品的力學(xué)性能檢測。

2 壓縮態(tài)下近似屈服強(qiáng)度的測定方法

2.1 試樣制備

壓縮試樣材料選用3A21 鋁合金，屬于鋁-錳二元合金，無法通過熱處理強(qiáng)化，只能通過冷加工方法提高力學(xué)性能，除此之外還具有較好的耐蝕性、塑性、焊接性，是一種綜合性能較好的中等強(qiáng)度鋁合金[11-12]。3A21 鋁合金材料無明顯屈服現(xiàn)象，拉伸試驗(yàn)下通過測量其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度或規(guī)定殘余伸長應(yīng)力計算其屈服強(qiáng)度Rp0.2。材料成分通過布魯克Q4TASMAN 火花直讀光譜儀檢測，化學(xué)成分如表1 所示。

表1 3A21 鋁合金的化學(xué)成分 ωB/%

由于試驗(yàn)方法與常規(guī)壓縮試驗(yàn)不同，因此試樣也無法完全按照GB/T 7314-2005 金屬材料室溫壓縮試驗(yàn)方法中要求制備，但受壓區(qū)尺寸與試樣形位公差仍按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，試樣尺寸如圖1 所示。

圖1 壓縮試樣

為保證每次對試樣施加應(yīng)力的面積相同，將試驗(yàn)壓頭制成如圖2 所示尺寸，壓頭材料Cr12，硬度60HRC。

2.2 試驗(yàn)方法

圖2 壓頭

由于3A21 鋁合金材料在受壓應(yīng)力狀態(tài)下無明顯屈服現(xiàn)象，難以通過壓縮曲線直接獲得屈服強(qiáng)度，本試驗(yàn)方法為通過對比壓縮試驗(yàn)前后試樣表面平面度的變化來確定使材料發(fā)生永久塑性變形時所受最小應(yīng)力，壓縮試驗(yàn)前使用Croma8126橋式測量機(jī)記錄所有試樣待壓表面平面度，采點(diǎn)位置如圖3、4 所示，設(shè)備誤差0.001mm。

圖3 壓縮前采點(diǎn)

圖4 壓縮后采點(diǎn)

使用CTM9100 萬能材料試驗(yàn)機(jī)完成壓縮試驗(yàn)，室溫20℃，設(shè)定橫梁位移速度1mm/min（壓縮試驗(yàn)下實(shí)際位移速度小于1mm/min），達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力時，橫梁停止，保壓30s 后停止試驗(yàn)，每塊試樣只進(jìn)行一次壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)后再次測量試樣表面平面度，記錄平面度的變化量，根據(jù)平面度變化情況調(diào)整應(yīng)力大小，直至測出平面度發(fā)生明顯變化時所承受的應(yīng)力值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中存在過沖現(xiàn)象，即設(shè)備達(dá)到預(yù)設(shè)應(yīng)力后無法立即停止并保持該應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)際情況為試驗(yàn)機(jī)停止時最大應(yīng)力略大于預(yù)設(shè)應(yīng)力，且實(shí)際應(yīng)力會隨保壓時間逐漸降低，壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

圖5 壓縮試驗(yàn)

表2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果

平面度變化與應(yīng)力大小之間的關(guān)系如表3 所示，試樣表面的平面度變化量隨應(yīng)力的增加而變大，當(dāng)試樣所受應(yīng)力小于73.84MPa 時，試樣表面平面度并未發(fā)生明顯變化，因此基本可以確定該3A21 鋁合金材料在壓縮狀態(tài)下的近似屈服強(qiáng)度為73.84MPa。

表3 平面度隨應(yīng)力變化情況

3 結(jié)束語

通過此方法可以較快地測定3A21 鋁合金受壓狀態(tài)下的近似屈服強(qiáng)度，對于主要承受壓應(yīng)力的產(chǎn)品，通過壓縮試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工況，獲取材料表面發(fā)生微小變形時所需最小應(yīng)力值，相比于材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度，該方法測量出的結(jié)果更貼近于實(shí)際，較好的表現(xiàn)應(yīng)力與平面度之間的變化關(guān)系，同理，針對于其他無明顯屈服強(qiáng)度或?qū)嶋H工況下主承受壓應(yīng)力的材料，應(yīng)用此試驗(yàn)方法可快速測量材料的近似屈服強(qiáng)度數(shù)值，為產(chǎn)品設(shè)計人員提供更加準(zhǔn)確的選材依據(jù)。