原标题：应变速率对压铸AlSi10MnMg合金力学性能的影响

铝合金由于具有良好的导电、导热性能，较高的比强度等特点，被广泛应用于汽车、航空航天、通信等行业。根据C-NCAP的划分，将汽车典型碰撞工况分为100%正面碰撞、40%偏置碰撞和侧面碰撞，在这些典型碰撞工况中，车身材料承受应变速率为10~103 s-1的动态冲击，从而产生较大的变形和复杂的应力行为。常见的准静态拉伸条件下获得的材料力学性能及断裂损伤行为并不能很好地应用于上述实际情况，因此研究铝合金的动态力学性能和断裂损伤行为具有积极的意义。

近年来，针对铝合金动态力学性能的研究逐渐引起了研究者的关注，应变速率对不同牌号铝合金动态力学性能的影响则有着不同的结论。有研究者研究了6008-T6铝合金在动态冲击条件下的宏观力学响应、微观组织演变和动态力学行为变化，并将损伤演化方程与动态冲击压缩条件下材料的本构模型相结合，得到了动态冲击拉伸条件下材料的动态本构模型。使用分离式霍普金森压杆（SHPB）研究了5083铝合金在不同应变率下的应力-应变曲线，发现5083铝合金没有明显的应变率效应。研究了6063-T5铝合金的不同温度和应变速率对材料力学性能的影响，发现6063-T5铝合金表现出明显的温度软化效应和应变率硬化效应，并通过改进拟合方法得到修正Johnson-Cook本构模型，成功预测了6063-T5铝合金的力学行为。WAN J等研究了高应变率下7A04-T6铝合金的动态力学性能，并基于广泛使用的Johnson-Cook模型和Cowper-Symonds模型提出了一种改进的本构模型，该模型能准确地描述7A04-T6铝合金的动态本构行为。目前，研究者对汽车用铝合金的动态力学性能研究主要集中在5、6、7系变形铝合金，而针对铸造铝合金的研究报道较少。同时，大多数铝合金都表现出应变速率效应，但是应变速率与动态力学性能之间的关系仅能通过试验得到，而应变速率与合金微观组织及力学性能之间的关联机制尚未明晰，因此揭示不同应变速率下铝合金微观组织和力学性能的演变规律有助于指导铝合金产品结构设计。

本研究以汽车结构件用压铸铝合金AlSi10MnMg为对象，系统研究T6热处理下的动态力学性能，通过不同应变速率下的拉伸试验及断口形貌分析，揭示应变速率对合金微观组织与力学性能的影响机理。同时，基于试验获得的真实应力-应变数据，构建考虑应变速率和塑性应变的Johnson-Cook修正模型，旨在为相关材料开发提供参考。

图文结果

本研究使用的压铸AlSi10MnMg合金成分见表1，各元素含量均在许可范围之内。试验用的压铸试样采用东洋BD-350V5型卧式冷室压铸机进行生产，主要工艺参数见表2。压铸试样包含3个标准力学性能拉伸试棒和一个片状试样。利用线切割从片状试样上切下动态拉伸试样，具体位置及尺寸见图1。然后将标准力学性能拉伸试棒和动态拉伸试样放入SG2-3-12箱式电阻炉和电热鼓风干燥箱中进行T6热处理，当固溶处理完成后立即进行水淬，随即进行时效处理。T6热处理工艺参数为480 ℃固溶1 h， 180 ℃时效12 h。

表1 压铸铝合金AlSi10MnMg的化学成分(%)

表2 压铸主要工艺参数

图1 试验用压铸试样及拉伸试样

不同材料在准静态拉伸和动态拉伸下表现出不同的力学性能变化规律。为了研究AlSi10MnMg合金的动态力学性能和断裂损伤行为，有必要进行准静态和动态拉伸试验，获得其在不同加载速率下的力学响应。图2为AlSi10MnMg合金在不同应变速率下得到的真应力-真应变曲线。可以看出，不同应变速率下的真应力-真应变曲线在弹性阶段基本重合，而当曲线过了屈服点之后便进入了塑性变形阶段，在此阶段随着真应变的逐渐增加，真应力则有不同程度的上升，最终达到峰值时真应力急剧下降随即材料发生断裂，材料颈缩阶段很短。对于动态拉伸试样而言，在塑性阶段，流动应力随着应变速率的增加而显著增加，这说明材料表现出明显的应变率效应。材料在动态拉伸下发生了明显的应变硬化现象，这是因为当金属变形程度增加时，材料内部晶粒发生畸变和破碎，位错密度增加，进而阻碍了材料内部晶体滑移，增大了金属塑性变形抗力。试样强度的应变速率效应则受到加工硬化和热激活效应的共同影响。一方面，随着拉伸应变速率的提高，位错变形时材料的位错密度随应变量的加大而增加进而产生加工硬化，使流动应力提高；另一方面，应变速率对屈服强度的影响还与热激活效应相关，热激活效应有利于合金产生屈服变形，使材料软化，降低屈服强度，两者相互耦合，构成了铝合金复杂的应变率效应。

基于AlSi10MnMg合金准静态与动态拉伸试验，得到其不同应变速率下的力学性能数据见表3。可以看出，与准静态拉伸力学性能相比，动态拉伸下的抗拉强度和屈服强度大幅下降，而伸长率则大幅提高，说明相较于准静态拉伸，动态拉伸时试样发生了温度软化现象和应变率效应，并且在较低应变速率下温度软化效果占主导地位。对于动态拉伸试样而言，抗拉强度和屈服强度随着应变速率的变化呈现两阶段特性。

图2 AlSi10MnMg合金不同应变速率下的真应力-真应变曲线

表3 不同应变速率下AlSi10MnMg合金的力学性能

为了揭示AlSi10MnMg合金的变形机理，通过SEM来观察不同应变速率下拉伸断口形貌的变化，见图3。可以看出，动态拉伸试样断口整体呈现出凹凸不平的特征，断口表层区域断面较为平整，但是在心部ESCs（压室预结晶组织）富集区观察到大量细小的孔洞缺陷，随着塑性变形的不断增加，这些孔洞的体积分数逐渐增大并相互聚合，导致应力集中而率先断裂，进而造成断面起伏较大。

图4为不同应变速率下试样拉伸断口的微观形貌。可以看到，在应变速率为100 s-1的试样中，断口的特征主要表现为存在大量圆形或椭圆形的韧窝及其周围的撕裂棱，并且由于ESCs在心部富集的原因，断面起伏处存在较多的孔洞，整个试样的断裂形式为明显的韧性断裂。

在应变速率为200 s-1和500 s-1的试样中，既能观察到韧窝和撕裂棱的存在，同时也能观察到断面上存在光滑的ESCs以及大尺寸的富铁相，并且韧窝的数量和尺寸有一定程度下降，说明随着拉伸应变速率的提高，材料的塑性逐渐降低。而在应变速率为1 000 s-1的试样中，韧窝分布在局部区域并变浅，并且尺寸进一步减小，表面观察到较多解理面。随着应变速率不断提高，合金的塑性随之下降，这与表3中的结果一致。

图3 不同应变速率下试样拉伸断口的宏观形貌

图4 不同应变速率下试样拉伸断口的微观形貌

材料本构模型的正确性对于数值模拟结果的可靠性具有重要的影响。为了准确地预测AlSi10MnMg合金的动态力学性能，必须构建合适的本构模型。金属材料的本构模型一般从材料的微观机理和宏观响应两种角度进行构建。从材料的微观机理角度，本构模型的构建需要从位错密度、晶粒细化、变形机制等方面出发，通过一系列的数学公式进行推导。此类模型通常结构复杂、变量多、计算量大，因此在工程实际中往往通过分析材料的宏观力学响应，引入一定的变量来表征应变、应变速率、温度等因素对材料动态力学性能的影响。

采用Johnson-Cook本构模型描述压铸铝合金AlSi10MnMg的动态力学行为，同时对模型中的各项参数进行标定和修正，将修正后的模型称为Johnson-Cook修正模型。由于本研究中的动态拉伸试验是在室温下进行的，所以可以不考虑温度项的影响，将本构模型简化为：

针对AlSi10MnMg合金，利用准静态拉伸条件下得到的应力-应变曲线对Johnson-Cook本构模型的应变强化项进行拟合，从准静态拉伸下的应力-应变曲线中可以得到A=223.03，然后对准静态拉伸试验得到的真应力-真应变曲线中的屈服点与颈缩点之间的数据进行非线性拟合得到B和n值，拟合曲线见图5。

图5 准静态曲线的拟合

Johnson-Cook本构模型中应变率效应项的拟合需要借助不同应变速率下材料的真应力-真应变曲线。此时式中仅存在一个未知量C，分别利用100、200、500和1 000 s-1应变速率下的真应力-真应变曲线并采用非线性拟合方法得到不同应变速率下C的拟合结果，见图6。可以看出，在不同应变速率下拟合得到的C值存在一定的差异，为了提高本构模型的精度，根据材料的特性对C值作进一步的拟合，见图7。根据Johnson-Cook修正模型计算得到的不同应变速率下压铸铝合金AlSi10MnMg的真应力-真应变曲线见图7b。可以看到计算曲线与试验曲线非常接近，绝大部分区域的误差在3%以内，说明采用所建立的Johnson-Cook修正模型可以用来描述压铸铝合金AlSi10MnMg的动态力学性能变化规律。

图6 不同应变速率下C值的拟合

图7 C的拟合结果以及真应力-真应变曲线试验结果与计算结果的对比图

结论

（1）相较于准静态拉伸，动态拉伸时压铸AlSi10-MnMg合金发生了温度软化现象和应变率效应。在较低应变速率下温度软化效应占主导地位，此时合金强度降低，塑性显著提升。随着应变速率的提高，材料硬化效应逐渐增强，合金强度随之增加，塑性则逐渐下降。

（2）动态拉伸试样断口整体呈现出凹凸不平的特征，断口表层区域较为平整，断面中心区域起伏较大且存在较多的孔洞。随着拉伸应变速率提高，断面韧窝的数量和尺寸有一定程度的下降。

（3）利用准静态和动态拉伸试验得到的真实应力-应变数据对Johnson-Cook本构模型中的各项参数进行标定和拟合，最终得到AlSi10MnMg合金的Johnson-Cook修正模型。模型计算得到的真实应力-应变数据与试验结果之间的误差较小，表明该模型能够用来准确地描述AlSi10MnMg合金的动态力学行为。

《应变速率对压铸AlSi10MnMg合金力学性能的影响》

郭俊伟1 苏玲珠2 吴孟武1 秦训鹏3

1. 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；2. 广东鸿特精密技术（台山）有限公司；3. 湖北隆中实验室

本文转载自：《特种铸造及有色合金》