謝東洋, 陳愛軍, 董亞偉
(南京理工大學(xué) 理學(xué)院,南京210094)
材料受到非對稱應(yīng)力循環(huán)載荷時會產(chǎn)生塑性變形的循環(huán)累積,這種現(xiàn)象稱為棘輪效應(yīng)。工程實際問題中的構(gòu)件產(chǎn)生棘輪效應(yīng),會導(dǎo)致疲勞壽命減少,甚至?xí)?dǎo)致構(gòu)件的變形超限而提前報廢,這是構(gòu)件的壽命評估和結(jié)構(gòu)可靠性分析必須考慮的因素。要解決這項難題,必須要系統(tǒng)地研究材料的循環(huán)變形,探究材料應(yīng)變控制循環(huán)的相關(guān)特性和應(yīng)力控制循環(huán)的棘輪行為,進而建立相關(guān)的循環(huán)塑性本構(gòu)模型去準確預(yù)測棘輪變形。近30年來,為了探索金屬材料的棘輪行為,學(xué)者們開展了大批實驗研究和各類本構(gòu)模型研究,使棘輪行為的研究得到了發(fā)展[1-3]。目前,對棘輪效應(yīng)的實驗研究主要有以下幾類:在應(yīng)力狀態(tài)方面,分為單軸棘輪效應(yīng)實驗和多軸棘輪效應(yīng)實驗;在應(yīng)力水平方面,通過改變平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值,研究應(yīng)力水平對棘輪效應(yīng)的影響;在溫度方面,在不同的溫度[4]下開展了大量的棘輪效應(yīng)實驗;在材料方面,對各類金屬、合金[5]及復(fù)合材料[6]等開展了大量的棘輪效應(yīng)實驗;此外,還在腐蝕環(huán)境[7]、蠕變[8]、時間相關(guān)性[9]等方面開展了棘輪效應(yīng)實驗。在棘輪效應(yīng)相關(guān)實驗中,平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值是影響材料棘輪行為的主要因素[10]之一,大部分實驗的開展均是通過控制平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值加載條件,來討論材料的棘輪行為。然而關(guān)于材料的應(yīng)變循環(huán)特性和棘輪行為受加載歷史影響的研究比較缺乏,并且對非室溫環(huán)境下材料棘輪行為的研究也不夠深入,對于全面揭示材料棘輪行為來說,這些方面仍然需要大力發(fā)展。因此,本文對6061鋁合金分別進行室溫與150 ℃的單軸應(yīng)變循環(huán)加載和單軸非對稱應(yīng)力循環(huán)加載實驗,探究了6061鋁合金在室溫與150 ℃下分別具有怎樣的單軸應(yīng)變循環(huán)特性和單軸棘輪行為,同時也為今后關(guān)于塑性循環(huán)本構(gòu)模型方面的理論研究工作提供實驗參考。
實驗材料為6061鋁合金棒材,機械加工前,首先對6061鋁合金進行T6熱處理,即6061鋁合金先經(jīng)535 ℃保溫6 h,后經(jīng)90 ℃的水中淬火至少5 min,再經(jīng)165 ℃低溫爐時效4 h。6061鋁合金經(jīng)過T6熱處理后進行機械加工,試樣形狀為單軸實心圓棒,其尺寸如圖1所示。室溫實驗試樣標距段的長度為18 mm,標距段的直徑為6 mm;150℃實驗試樣標距段的長度為30 mm,標距段的直徑為10 mm。6061鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。
表1 6061鋁合金的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù) %
圖1 單軸實心圓棒的6061鋁合金試樣尺寸
實驗設(shè)備采用MTS809-25kN電液伺服試驗機,其控制系統(tǒng)為TestStar控制器。計算機操作系統(tǒng)為Window NT,使用TestWare/SX作為MTS應(yīng)用軟件。采用MTS653系統(tǒng)作為高溫發(fā)生與控制設(shè)備,軸向均溫區(qū)范圍為50 mm,在均溫區(qū)范圍以內(nèi)的溫度梯度為±5 ℃,溫度控制精度為±1℃。采用單軸應(yīng)變引伸計進行常溫應(yīng)變的測量,標距為5 mm,采用高溫應(yīng)變引伸計進行高溫應(yīng)變的測量,標距為25 mm,MTS載荷傳感器及應(yīng)變引伸計的測量精度均為0.5級。通過控制系統(tǒng)對加載實驗進行參數(shù)控制和數(shù)據(jù)采集。在沒有特別指出時,本文應(yīng)變控制循環(huán)實驗中:應(yīng)變率即控制應(yīng)變改變的速率均為2×10-3/s;非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗中,應(yīng)力率即控制應(yīng)力改變的速率均為100 MPa/s。本文中,σa代表響應(yīng)應(yīng)力幅值,定義為σa=(σmax+σmin)/2,棘輪應(yīng)變用εr表示,定義為εr=(εmax+εmin)/2。其中:σmax、σmin分別表示在實驗每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應(yīng)力;εmax、εmin分別表示在實驗每一周循環(huán)中數(shù)據(jù)采集到的最大、最小的軸向應(yīng)變。此外,在循環(huán)實驗中,棘輪應(yīng)變率表示后一周循環(huán)相比于前一周循環(huán)時棘輪應(yīng)變εr的改變量,定義為dεr/dN。
為了解T6熱處理后6061鋁合金的基本力學(xué)性能,并為后續(xù)的循環(huán)變形實驗制定合理的應(yīng)力/應(yīng)變工況提供參考的單拉曲線,首先在室溫下對6061鋁合金進行了單軸拉伸實驗。圖2(a)給出了6061鋁合金在不同應(yīng)變率(2×10-3/s、4×10-4/s)下的單軸拉伸曲線,圖2(b)給出了6061鋁合金在變應(yīng)變率(每拉伸0.02的應(yīng)變時改變一次應(yīng)變率,應(yīng)變率改變順序為4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s)下的單軸拉伸曲線。從圖中可以看出,6061鋁合金沒有明顯的屈服平臺,不同應(yīng)變率下材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線有所不同。這說明6061鋁合金在室溫下體現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性,應(yīng)變率低時材料響應(yīng)應(yīng)力較高。
圖2 室溫環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線
為了與室溫下材料的力學(xué)性能進行比對,進而在150℃下對6061鋁合金進行了單軸拉伸實驗。圖3(a)給出了150 ℃下不同應(yīng)變率(2×10-3/s、4×10-4/s)下的單軸拉伸曲線,圖3(b)給出了150 ℃下變應(yīng)變率(每拉伸0.02的應(yīng)變時改變一次應(yīng)變率,應(yīng)變率改變順序為4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s)的單軸拉伸曲線。從圖中可以看出,6061鋁合金在150 ℃時也體現(xiàn)了一定的應(yīng)變率敏感性,但是150 ℃下應(yīng)變率高的材料應(yīng)力響應(yīng)略大,這與常溫時的特性截然相反。如圖3(b)所示,當應(yīng)變從約0.06增到約0.08時,材料出現(xiàn)了失穩(wěn)變形,這是因為此時的材料變形開始形成頸縮而使面積減小。
圖3 150 ℃環(huán)境6061鋁合金的單軸拉伸曲線
為了揭示6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性,在室溫和150 ℃下分別開展了兩類單軸應(yīng)變控制循環(huán)實驗:1)平均應(yīng)變恒定,改變應(yīng)變幅值的多級加載實驗;2)應(yīng)變幅值恒定,改變平均應(yīng)變的多級加載實驗。
為討論應(yīng)變幅值對材料循環(huán)變形行為的影響,通過改變應(yīng)變幅值,在室溫和150 ℃下分別開展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)的多級加載實驗研究。圖4給出了室溫下平均應(yīng)變?yōu)?,應(yīng)變幅值歷史為①±0.6%(100 c)→②±0.8%(100 c)→③±0.6%(50 c)的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級加載實驗結(jié)果(c表示循環(huán)周次,下同)。圖5給出了150 ℃下平均應(yīng)變?yōu)?,應(yīng)變幅值歷史為①±0.4%(100 c)→②±0.6%(100 c)→③±0.4%(50 c)的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級加載實驗結(jié)果。從圖4可以看出,室溫條件,在加載工況①下,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的累積趨于穩(wěn)定。當應(yīng)變幅值從0.6%增加到0.8%時,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值增大,循環(huán)幾周后,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)周次的累積迅速趨于穩(wěn)定。此時穩(wěn)定后的響應(yīng)應(yīng)力幅值大于先前0.6%循環(huán)時穩(wěn)定后的響應(yīng)應(yīng)力幅值,這表明在室溫條件下,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到應(yīng)變幅值大小的影響。當應(yīng)變幅值從0.8%減小到0.6%時,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值減小,同時材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進行持續(xù)地減小,說明先前較大應(yīng)變幅值(±0.8%)循環(huán)加載對后續(xù)較小應(yīng)變幅值的循環(huán)產(chǎn)生了較為明顯的影響,材料表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特性。從圖5可以看出,150 ℃條件,在應(yīng)變幅值很小(0.4%)時,在前幾周循環(huán)中6061鋁合金的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進行而增大,后續(xù)循環(huán)中材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值趨于穩(wěn)定。當應(yīng)變幅值增加到0.6%時,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值增大,而后材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進行迅速趨于穩(wěn)定。因此,6061鋁合金在150 ℃的應(yīng)變循環(huán)依賴于應(yīng)變幅值的大小。當應(yīng)變幅值從0.6%降到0.4%時,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值明顯下降,在后續(xù)循環(huán)中,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進行不斷增大,說明6061鋁合金在150℃下的循環(huán)變形受到先前較大應(yīng)變幅值(0.6%)循環(huán)加載的影響,材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。對比圖4和圖5,室溫和150 ℃條件下改變應(yīng)變幅值的單軸應(yīng)變控制循環(huán)多級加載實驗中可以看出,相同點在于,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值在兩種溫度下均隨著應(yīng)變幅值的增加而增大,且均受到較大應(yīng)變幅值加載歷史的影響;而不同點在于,材料受到較大應(yīng)變幅值加載后,室溫下材料表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性,而150 ℃下材料表現(xiàn)出循環(huán)硬化特性。實驗表明,6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到應(yīng)變幅值大小及其加載歷史的顯著影響。
圖4 室溫條件下應(yīng)變幅值加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線
圖5 150 ℃條件下應(yīng)變幅值加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線
為討論平均應(yīng)變對材料循環(huán)變形行為的影響,通過改變平均應(yīng)變,在室溫和150 ℃下分別開展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)的多級加載實驗研究。圖6給出了室溫條件下應(yīng)變幅值恒定為±0.6%,改變平均應(yīng)變的應(yīng)變控制循環(huán)多級加載實驗結(jié)果。加載工況如下:①±0.6%(100 c)→②1%±0.6%(100 c)→③±0.6%(50 c)。圖7給出了150 ℃下應(yīng)變幅值恒定為±0.7%,改變平均應(yīng)變的應(yīng)變控制循環(huán)多級加載實驗結(jié)果。加載工況如下:①±0.7%(100 c)→②1±0.7%(100 c)。由圖6可知,室溫條件,對比加載工況③和加載工況①可以看出,經(jīng)過較大平均應(yīng)變循環(huán)(加載工況②)后,加載工況③的響應(yīng)應(yīng)力幅值高于加載工況①的響應(yīng)應(yīng)力幅值,說明后續(xù)較小平均應(yīng)變(加載工況③)的循環(huán)受到了先前較大平均應(yīng)變(加載工況②)的循環(huán)的影響。從圖7 可以看出,150 ℃條件,在加載工況①時,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定。當平均應(yīng)變從0增加到1%時,在循環(huán)前期,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值仍然隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定,然而,當約170周循環(huán)后,材料的響應(yīng)應(yīng)力幅值開始迅速減小。實驗表明,6061鋁合金在室溫和150 ℃的響應(yīng)應(yīng)力幅值受到平均應(yīng)變及其加載歷史的一定程度的影響。
圖6 室溫條件下平均應(yīng)變加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線
圖7 150 ℃條件下平均應(yīng)變加載歷史的響應(yīng)應(yīng)力幅值演化曲線
為了揭示應(yīng)力水平大小對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響,在室溫下對6061鋁合金進行兩類單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)加載實驗。1)平均應(yīng)力恒定,改變應(yīng)力幅值的循環(huán)加載實驗;2)應(yīng)力幅值恒定,改變平均應(yīng)力的循環(huán)加載實驗。
為討論應(yīng)力幅值對6061鋁合金棘輪行為的影響,在平均應(yīng)力恒定的情形下,改變應(yīng)力幅值,在室溫下對6061鋁合金材料進行了單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗。加載工況如下:①(40±320) MPa(1000 c);②(40±330) MPa(1000 c);③(40±340) MPa(1000 c),棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的演化曲線如圖8所示。由圖8可以看出,室溫條件,材料的棘輪應(yīng)變在前十幾個循環(huán)周次內(nèi)增長較快,在后續(xù)循環(huán)中,材料的棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而趨于穩(wěn)定;前幾周循環(huán)中,材料的棘輪應(yīng)變率迅速下降,后續(xù)循環(huán)基本保持不變。實驗表明,室溫下應(yīng)力幅值大小對6061鋁合金材料的棘輪效應(yīng)產(chǎn)生了顯著的影響,當平均應(yīng)力保持恒定,6061鋁合金材料的棘輪應(yīng)變隨應(yīng)力幅值的增加而增大。
圖8 平均應(yīng)力40 MPa不同應(yīng)力幅值的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率的演化
為討論平均應(yīng)力對6061鋁合金棘輪行為的影響,在應(yīng)力幅值恒定的情形下,改變平均應(yīng)力,在室溫下對6061 鋁合金材料進行了單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗。加載工況如下:①(40±320)MPa(1000 c);②(50±320) MPa(1000 c);③(60 ±320) MPa(1000 c),棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的演化曲線如圖9所示。從圖9可以看出,室溫下平均應(yīng)力大小對6061鋁合金材料的棘輪效應(yīng)產(chǎn)生了顯著的影響,當應(yīng)力幅值保持恒定,6061鋁合金材料的棘輪應(yīng)變隨平均應(yīng)力的增加而增大。
從實驗結(jié)果可以看出,室溫條件下,6061鋁合金的棘輪應(yīng)變隨著應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力的增大而增大,此結(jié)論與鎂合金[11]的實驗結(jié)果是一致的。
為了揭示應(yīng)力幅值加載歷史對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響,在室溫與150 ℃分別進行了平均應(yīng)力恒定、應(yīng)力幅值改變的單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)多級加載實驗。
平均應(yīng)力恒定為20 MPa,改變應(yīng)力幅值,在室溫下進行了如下工況的非對稱應(yīng)力循環(huán)多級加載實驗:①(20±340) MPa(200 c)→②(20±350) MPa(200 c)→③(20±340)MPa(100 c),實驗結(jié)果如圖10所示。恒定平均應(yīng)力為30 MPa,改變應(yīng)力幅值,在150 ℃下進行了非對稱應(yīng)力循環(huán)加載實驗:①(30±300) MPa(100 c)→②(30±310) MPa(100 c)→③(30±300) MPa(100 c),實驗結(jié)果如圖11所示。從圖10中可以看出,室溫條件下在加載工況①時,棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當應(yīng)力幅值從340 MPa增加到350 MPa時,棘輪應(yīng)變增大,并隨著循環(huán)周次的增加線性增長。保持平均應(yīng)力不變,減小應(yīng)力幅值到340 MPa時,棘輪應(yīng)變?nèi)匀辉龃?。比較加載工況①和加載工況③,加載的應(yīng)力水平均為(20±340) MPa,然而在經(jīng)過較大的應(yīng)力幅值(加載工況②)的循環(huán)加載之后,在后續(xù)應(yīng)力幅值循環(huán)(加載工況③)時的棘輪應(yīng)變比沒有經(jīng)過較大應(yīng)力幅值循環(huán)(加載工況①)的棘輪應(yīng)變要大。從圖11中可以看出,6061鋁合金在150 ℃時的演化規(guī)律同室溫下的演化規(guī)律類似。然而與室溫下不同的是,150℃條件下在加載工況②時,材料的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)的進行在增大,然而增大的速率在降低,即棘輪應(yīng)變率隨循環(huán)周次的增加在逐漸減小。當應(yīng)力幅值從310 MPa減小到300 MPa時,材料的棘輪應(yīng)變率幾乎為零,材料的棘輪應(yīng)變趨于穩(wěn)定。當經(jīng)歷了較大的應(yīng)力幅值循環(huán)(加載工況②)后,后續(xù)應(yīng)力幅值循環(huán)(加載工況③)的棘輪應(yīng)變相比于沒有經(jīng)歷較大應(yīng)力幅值循環(huán)(加載工況①)時的棘輪應(yīng)變要大,后續(xù)應(yīng)力循環(huán)受到先前較大應(yīng)力幅值循環(huán)的顯著影響。實驗結(jié)果表明,6061鋁合金材料在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴于應(yīng)力幅值大小及其加載歷史。
圖9 應(yīng)力幅值320MPa不同平均應(yīng)力的棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率的演化
為了揭示平均應(yīng)力加載歷史對6061鋁合金單軸棘輪行為的影響,在室溫與150 ℃分別進行了應(yīng)力幅值恒定,平均應(yīng)力改變的單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)多級加載實驗。
圖10 室溫條件下應(yīng)力幅值加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線
圖11 150 ℃條件下應(yīng)力幅值加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線
恒定應(yīng)力幅值340 MPa,改變平均應(yīng)力,在室溫下進行了如下工況的非對稱應(yīng)力循環(huán)多級加載實驗:①(20±340) MPa(200 c)→②(30±340) MPa(200 c)→③(20±340)MPa(100 c),實驗結(jié)果如圖12所示。恒定應(yīng)力幅值300 MPa,改變平均應(yīng)力,在150 ℃下進行了非對稱應(yīng)力循環(huán)加載實驗:①(30±300) MPa(100 c)→②(40±300) MPa(100 c)→③(30±300) MPa(100 c),實驗結(jié)果如圖13所示。由圖12可知,室溫條件,在加載工況①時,棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的增加而不斷增大。當平均應(yīng)力從20 MPa增 加 到 30 MPa時,棘輪應(yīng)變和棘輪應(yīng)變率均增大,而棘輪應(yīng)變率在加載工況②的后續(xù)循環(huán)中逐漸減小。保持應(yīng)力幅值不變,減小平均應(yīng)力到20 MPa時,棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)的進行趨于穩(wěn)定。比較加載工況①和加載工況③,加載的應(yīng)力水平均為(20±340) MPa,然而,在經(jīng)過較大的平均應(yīng)力(加載工況②)的循環(huán)加載之后,在后續(xù)平均應(yīng)力下循環(huán)(加載工況③)時的棘輪應(yīng)變比沒有經(jīng)過較大平均應(yīng)力循環(huán)(加載工況①)的棘輪應(yīng)變要大。由圖13可知,6061 鋁 合金在150 ℃時的棘輪行為與室溫下的棘輪行為類似:棘輪應(yīng)變隨著循環(huán)周次的累積和平均應(yīng)力的增大而增大,當經(jīng)歷了較大平均應(yīng)力循環(huán)(加載工況②)后,后續(xù)平均應(yīng)力循環(huán)(加載工況③)時的棘輪應(yīng)變相比于沒有經(jīng)歷較大平均應(yīng)力循環(huán)(加載工況①)時的棘輪應(yīng)變要大。實驗研究表明,6061鋁合金在室溫和150 ℃環(huán)境的單軸棘輪行為均依賴于平均應(yīng)力的大小及其加載歷史。
圖12 室溫條件下平均應(yīng)力加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線
圖13 150 ℃條件下平均應(yīng)力加載歷史的棘輪應(yīng)變演化曲線
在室溫和150 ℃條件下,采用6061鋁合金試樣,開展了單軸應(yīng)變控制循環(huán)實驗,探究了材料的單軸應(yīng)變循環(huán)特性;開展了單軸非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實驗,探究了材料的單軸棘輪行為,得出了如下結(jié)論:
1)單軸拉伸實驗中,在室溫和150 ℃下,6061鋁合金均體現(xiàn)了一定的應(yīng)變率敏感性。不同的是,室溫條件下,應(yīng)變率低時,材料的響應(yīng)應(yīng)力較高;150 ℃條件下,應(yīng)變率高時,材料的響應(yīng)應(yīng)力較高。
2)應(yīng)變控制循環(huán)加載實驗中,在室溫和150 ℃下,6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性均依賴于應(yīng)變幅值大小及其加載歷史;平均應(yīng)變大小及其加載歷史對6061鋁合金的單軸應(yīng)變循環(huán)特性有一定程度的影響。
3)非對稱應(yīng)力控制循環(huán)加載實驗中,室溫下6061鋁合金的單軸棘輪應(yīng)變隨著應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力的增大而增大;在室溫和150 ℃下,6061鋁合金的單軸棘輪行為均依賴于應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力及其加載歷史。