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導(dǎo)讀

從汽車安全性角度，必須要考慮鋁合金等輕量化材料車身在碰撞中的抗沖擊性以及承受沖擊載荷的能力。由此，研究鋁合金在應(yīng)變速率為1s-1～103s-1范圍的動態(tài)力學(xué)性能，成為新能源汽車安全可靠性仿真與評估的重要參量。

3003鋁合金作為低強(qiáng)度汽車動力電池封裝材料，其動態(tài)力學(xué)特性成為汽車受撞擊苛刻條件下殼體損傷程度評估，乃至動力電池防泄漏安全設(shè)計及管理的關(guān)鍵指標(biāo)，但相關(guān)研究鮮有公開報道。本文研究了不同應(yīng)變速率下3003鋁合金的動態(tài)拉伸行為，結(jié)合DIC數(shù)字圖像技術(shù)、掃描電鏡和顯微硬度等，著重分析了動態(tài)拉伸過程的變形與斷裂特征，為該材料的應(yīng)用提供一些參考。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.不同應(yīng)變速率拉伸的應(yīng)力與變形行為

從圖a、b可知，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加呈現(xiàn)兩階段特性，當(dāng)應(yīng)變速率小于100 s-1時，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加緩慢增大；當(dāng)應(yīng)變速率大于100 s-1時，應(yīng)變速率的強(qiáng)化作用增大；隨應(yīng)變速率增加，伸長率也增大。圖1c的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明，3003鋁合金不僅具有應(yīng)變速率敏感性，同時塑性隨應(yīng)變速率提高而增大。

圖2所示為選取圖1a中A-F點(diǎn)應(yīng)力150N/mm2下和斷裂前的應(yīng)變云圖，并和斷裂試樣宏觀樣品照片對比。從圖可知，在應(yīng)力150N/mm2條件下，應(yīng)變值在標(biāo)距范圍內(nèi)近似均勻分布；隨應(yīng)變速率提高，應(yīng)變值下降；圖中試樣中央?yún)^(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變集中區(qū)；隨應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變集中區(qū)影響面積變大。

圖3為材料的應(yīng)變變化曲線，可見，各個應(yīng)變速率下試樣的應(yīng)變值都隨著圖2中虛線A、B點(diǎn)的距離增大而先增大后減小，變形程度隨應(yīng)變速率增加而增大；如圖a，b，在大塑性變形條件下，橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變；圖d可以看出縱向條件下的應(yīng)變變化更大，中部區(qū)域應(yīng)變集中度也更高，表明動態(tài)拉伸主要作用于縱向。

2.不同應(yīng)變速率下斷口形貌特征

圖4為典型拉伸速率下斷口宏觀照片。結(jié)合圖2a～c斷裂前的應(yīng)力集中分布區(qū)和試樣斷裂宏觀照片可知，試樣斷口分為兩大區(qū)域，即由于應(yīng)力集中導(dǎo)致率先開裂的中部區(qū)域(Ⅰ區(qū))以及裂紋擴(kuò)展發(fā)生拉伸剪切混合開裂的兩端擴(kuò)展區(qū)(Ⅱ區(qū))。

斷口形貌主要為大小不一的韌窩和撕裂棱組成；隨應(yīng)變速率增加，小型韌窩增多并長大，撕裂棱上逐漸出現(xiàn)韌窩乃至消失；與Ⅱ區(qū)相比，Ⅰ區(qū)斷口的撕裂棱明顯減少，隨應(yīng)變速率增加，韌窩增多，撕裂棱逐漸減少。

3.不同應(yīng)變速率下斷口側(cè)面顯微組織及顯微硬度

拉伸斷口側(cè)面的顯微組織。可以看出，拉伸前晶粒大小分布不均，拉伸條件下晶粒發(fā)生了明顯的伸長、變細(xì)。隨著應(yīng)變速率的提高，晶粒變形程度有進(jìn)一步變大的趨勢。

由圖7a可知，隨著離斷口距離的增加，維氏硬度值顯著下降。應(yīng)變速率為1s-1和500s-1試樣的硬度值相對于未變形試樣的顯著提高，加工硬化效果顯著。由圖7b可知，隨著應(yīng)變速率的提高，硬度值有一定程度提高。

2.結(jié)論

1、在本實(shí)驗(yàn)研究的3003鋁合金動態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變速率從1s-1提高到500s-1，3003鋁合金的抗拉強(qiáng)度從173N/mm2提高到194N/mm2,屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率增加分為兩階段升高；斷裂應(yīng)變從27.1%提高到38.2%，塑性顯著增強(qiáng)。

2、動態(tài)拉伸應(yīng)變云圖和拉伸斷口分析表明：斷裂是從試樣中央開始，然后逐步擴(kuò)展到兩側(cè)，縱向、橫向的應(yīng)變值都隨位置的變化而先增大后減??；斷口形貌隨著應(yīng)變速率的升高，撕裂棱減少、較大的韌窩直徑增大且數(shù)量減少，斷口面積隨應(yīng)變速率的提高而減小。

3、動態(tài)拉伸斷裂試樣的側(cè)面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側(cè)面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細(xì)長，硬度隨應(yīng)變速率的增大而提高。