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不同时效状态下a i m g s i 型材的准静态压缩性能研究 摘要 铝合金己成为汽车轻量化设计的首选材料，其中a i m g s i 合金因具有优良的 碰撞吸能性能与成型性能而广泛应用于汽车的吸能结构设计。本文以两种在线淬 火的a 1 m g s i 合金( 6 0 6 1 与6 0 6 1 x ) 多胞截面型材为研究对象，系统地研究了6 0 6 1 x 合金的时效硬化性能，以及两种合金型材在不同时效状态下的轴向压缩变形模式 与吸能性能，并结合微观分析手段，探讨了引起两种合金性能差异的主要原因。 本文首先采用不同的时效工艺( 时效温度1 4 0 2 2 0 ，时间0 - 2 4 h ) 对6 0 6 1 x 合金进行时效处理，通过硬度测试研究了不同时效温度一时间组合对该合金力学性 能的影响，研究表明6 0 6 1 x 合金获得最高力学性能的时效工艺为1 8 0 时效9 h ， 并结合t e m 分析得知，此时合金中的析出强化相为针状b ”相；通过回归分析，在 j o h n s o n m e h l a v r a m i 方程基础上建立了6 0 6 1 x 合金的时效动力学模型。 通过准静压实验研究了不同时效状态( 1 8 0 条件下0 5 4 0 m i n ) 的6 0 6 1 x 与6 0 6 1 合金型材的轴向压缩变形模式与吸能性能。研究表明：随时效时间的延长，6 0 6 1 x 型材的变形模式由金刚石模式逐渐转变为手风琴模式，6 0 6 1 型材由伴有开裂现象 的金刚石模式转变为沿棱边劈裂模式，两者吸能性能均提高。通过在型材上端侧 壁开孔可降低第一峰值载荷，并影响型材的变形模式，开孔后6 0 6 1 x 型材变形模 式均为混合模式或手风琴模式，6 0 6 1 型材变形模式为伴有开裂现象的混合模式， 该转变提高了型材变形的稳定性。对于原变形模式为金刚石模式的试样，开设诱 导孔后，试样变形名义载荷增加，吸能性能提高；原变形模式为混合模式与手风 琴模式的试样，开设诱导孔后，吸能性能降低。 通过6 0 6 l 合金与6 0 6 1 x 合金组织与性能的对比研究，发现6 0 6 1 合金中的晶 粒组织沿厚度方向分布不均匀，近表层组织为粗大的再结晶晶粒，中间层为含亚 晶的拉长晶粒，且晶粒趋于( 1 1 1 ) 排列，合金中的第二相粒子沿挤压方向排列；而 6 0 6 1 x 合金的晶粒组织为完全的再结晶晶粒，晶粒的择优取向程度较低。6 0 6 1 合 金中晶粒形貌、晶体学取向以及第二相粒子分布的不均匀性造成其力学性能存在 明显的各向异性，从而引起6 0 6 1 合金型材在弯曲作用下的横向裂纹。因而合理地 改善合金的再结晶状态，可减少合金力学性能的各向异性。 关键词：a 1 m g 。s i 型材；时效；准静态压缩；诱导孔；吸能性能；各向异性 硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n i u ma l l o yh a sb e c o m et h e o p t i m a lm a t e r i a lo fc h o i c ef o rt h e ”l i g h t w e i g h t i n g o fv e h i c l e t h ea i - m g s ia l l o yh a sb e e nw i d e l yu s e di na u t o m o t i v e s t r u c t u r a ld e s i g nf o re n e r g ya b s o r p t i o nd u et oi t se x c e l l e n tc o l l i s i o ne n e r g ya b s o r p t i o n p e r f o r m a n c ea n df o r m a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，t h ea g i n gh a r d e n i n gp r o p e r t i e so f6 0 6 1x a l u m i n i u ma l l o y ，a n dt h ed e f o r m a t i o nm o d e sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t i e so f 6 0 61xp r o f i l e sa n d6 0 61 p r o f i l e su n d e ra x i a lc o m p r e s s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a i n r e a s o nf o rt h ep e r f o r m a n c e sd i f f e r e n c eo ft h et w o a l l o y sw a sa l s oe x p l o r e di n c o m b i n a t i o nw i t hm i c r o a n a l y s i s t h e6 0 61xa l l o yw a sf i r s t l ye x p o s e dt ov a r i o u sa g i n gc o n d i t i o n ( a t14 0 。c 一2 2 0 。c f o r0 - 2 4 h ) a n dt h ee f f e c to fa g i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a s i n v e s t i g a t e db yh a r d n e s st e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mh a r d n e s so f6 0 6 1x a l l o yc o u l db ea c h i e v e db ya g i n ga t18 0 。c f o r9 h t h en e e d l e - s h a p e dp “p r e c i p i t a t e s w e r eo b s e r v e di nt h ea g e da l l o yw i t hp e a kh a r d n e s sb yt e m a n a l y s i s m o r e o v e r ，o nt h e b a s i so fj o h n s o n m e h l a v r a m ie q u a t i o n ，a na g i n gk i n e t i c sm o d e lo f6 0 61x a l l o yw a s d e r i v e db yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h ed e f o r m a t i o nm o d e sa n de n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t i e so f6 0 61x a l l o ya n d 6 0 6 1 a l l o yw e r er e s e a r c h e db yq u a s i - s t a t i ca x i a lc o m p r e s s i o n s t h et w ok i n d so fa 1 - m g - s i a l l o yw e r er e s p e c t i v e l ya g e da tt e m p e r a t u r eo f18 0 f r o m30m i nt o5 4 0m i n t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e f o r m a t i o nm o d eo ft h e6 0 61x p r o f i l e sisg r a d u a l l yc h a n g e d f r o m ”d i a m o n dm o d e ”t o ”c o n c e r t i n am o d e ”，w h i l et h e6 0 61 p r o f i l e si sc h a n g e df r o m ”d i a m o n dm o d e ”w i t hc r a c k i n gp h e n o m e n o nt o ”s p l i t t i n gm o d e ”a l o n gt h ee d g eo ft h e p r o f i l e ，a n db o t ht h ee n e r g ya b s o r p t i o no ft h et w ok i n d so fe x t r u s i o n si n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n ga g i n gt i m e d r i l l i n gh o l e so nt h es i d e w a l l sn e a rt h eu p p e re n do ft h ep r o f i l e s c a nd e c r e a s et h ep e a kl o a da n dc h a n g et h ed e f o r m a t i o nm o d eo ft h e6 0 61x p r o f i l e sa n d t h e6 0 61 p r o f i l e si n t o ”m i x e dm o d e ”o r ”c o n c e r t i n am o d e ”a n d ”m i x e dm o d e ”w i t h c r a c k i n gp h e n o m e n o nr e s p e c t i v e l y , w h i c hi m p r o v e st h es t a b i l i t yo fs a m p l ed u r i n g d e f o r m a t i o n a st os a m p l e sw i t hd i a m o n dm o d eb e f o r ed r i l l i n gh o l e s ，m e a nl o a do ft h e s a m p l e sd u r i n gd e f o r m a t i o ni n c r e a s e sa n de n e r g ya b s o r p t i o n a r ei m p r o v e da f t e r d r i l l i n gi n d u c e dh o l e s o nt h ec o n t r a r y ，t h ee n e r g ya b s o r p t i o no fs a m p l e sw i t hm i x e d m o d eo rc o n c e r t i n am o d er e d u c e sa f t e rd r i l l i n gh o l e s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f6 0 61 a l l o ya n d6 0 6 1x a l l o yw e r es t u d i e d i l l c o m p a r a t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed is t r i b u t i o no fg r a i n si nt h e6 0 61 a l l o yi s i n h o m o g e n e o u sa l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n c o a r s er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n sw e r e o b s e r v e di nt h en e a r s u r f a c e l a y e r ，w h i l ee l o n g a t e dg r a i n si n c l u d i n gs u b g r a i n sw e r e o b s e r v e di nt h ec e n t e rl a y e r m o r e o v e r ，t h eg r a i n si nt h e6 0 6 1 a l l o yt e n d e dt oa l i g n a l o n g 1 11 c r y s t a l p l a n e ，a n dt h es e c o n d - p h a s ep a r t i c l e sw e r ea r r a n g e d a l o n g e x t r u s i o nd i r e c t i o n h o w e v e r ，c o m p l e t er e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i n sw e r eo b s e r v e di nt h e 6 0 61x a l l o y , a n dt h ed e g r e eo fp r e f e r r e do r i e n t a t i o no ft h eg r a i n sw a sl o w e rc o m p a r e d w i t ht h e6 0 61 a l l o y t h ei n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n so f g r a i n m o r p h o l o g y ， c r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o na n dt h es e c o n d p h a s ep a r t i c l e si nt h e6 0 61 a l l o y , c a u s ea s i g n i f i c a n ta n i s o t r o p yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，l e a d i n gt ot h et r a n s v e r s ec r a c ko f t h e6 0 61 a l l o yw h e nb e n d i n g t h e r e f o r e ，i ti sr e a s o n a b l et or e d u c et h ea n i s o t r o p yo f t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o yb yi m p r o v i n gi t sr e c r y s t a l l i z a t i o n d e g r e e k e yw o r d s ：a l - m g - s ip r o f i l e s ；a g i n g ；q u a s i - s t a t i cc o m p r e s s i o n ；i n d u c e dh o l e ； e n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t y ；a n i s o t r o p y i v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 作为最受青睐的现代化交通工具，汽车给人们的生活带来了便利与舒适的同 时，也产生了交通事故、能源消耗和空气污染等各种负面效应【1j 。随着负面效应的 进一步显现，汽车的“安全、节能、环保”问题引起了政府与业界人士的关注， 并成为当代汽车工业发展的三大主题，正引领着汽车工业蓬勃发展。 近年来我国汽车行业呈爆发式地增长，汽车正以前所未有的速度进入我国家 庭。截至2 0 11 年8 月底，我国汽车保有量已超过1 亿辆，仅次于美国的2 8 5 亿辆，位 居世界第2 。随着汽车保有量的增加，汽车安全性问题变得愈加凸显。表1 1 是我国 1 9 9 9 2 0 0 9 年问的交通事故概况【2 j 。由表中的数据可知，2 0 0 4 年以前，我国境内发 生的交通事故次数、死亡人数以及直接财产损失呈逐年上升趋势。2 0 0 4 年以后， 随着我国安全法规的实施和汽车安全技术的应用，道路交通事故高发态势得到了 有力遏制，并开始逐年下降。但不容乐观的是交通事故的基数仍处于高位，居于 世界首位，且汽车保有量还在持续增长，因而提高汽车的安全性要求已刻不容缓。 与此同时，汽车安全性问题也越来越受到汽车制造商、消费者以及政府的普遍重 视和关注。 表1 11 9 9 9 2 0 0 9 年道路交通事故概况 汽车的安全性由主动安全和被动安全组成，其中主动安全性是指汽车在行驶 过程中主动预防、避免或减少发生意外事故的能力，其研究内容涉及汽车的制动 不同时效状态下a i m g - s i 型材的准静态压缩性能研究 性能、操控稳定性和驾驶者的视野性能等，目前应用较为广泛的主动安全性技术 包括防抱死制动系统( a b s ) 、电子制动力分配系统( e b d ) 、电子稳定控制系统( e s p ) 、 驱动防滑系统( a s r ) 并i i 智能测距防碰撞系统等；而被动安全性则是指车辆发生交通 安全事故时，汽车及车内保护系统如何有效地对乘员进行保护，也称为汽车的碰 撞安全性。毋庸置疑，先进的主动安全技术在预防及避免交通事故上有着不可或 缺的作用，但大量的事故统计分析表明，9 5 以上的事故责任应归于驾驶人员，此 外，事故的发生还与道路状况、自然条件以及其他意外情况有关，因而主动安全 性能对乘员的保护能力有一定的局限性( 能避免约5 的事故) 。因此，提高汽车本 身具有的被动安全性能是汽车安全性更重要的课题p j 。 汽车被动安全性能的研究内容包括车身耐撞性、乘员约束系统性能以及转向 系统防伤性能等，而鉴于汽车被动安全性能中对乘员的保护能力主要是由车身结 构提供，因此车身耐撞性是汽车车身结构性能的主要内容【4 j 。在车身结构中采用性 能优异的缓冲吸能结构是提高其耐撞性的重要途径，因而近几十年来金属薄壁结 构( 如圆柱管、方管、多边形管、多胞管等) 、复合材料结构、多材料体系结构( 如 填充轻质泡沫的金属管) 等缓冲元件的吸能性能得到广泛的研究与应用1 5 - 1 ，究其 基本思想，均是利用汽车自身结构( 前纵梁) 或附加装置( 吸能元件) 在外力冲击作用 下发生不可逆变形( 如金属材料的塑性变形和复合材料的脆性断裂破坏等) 来耗散 冲击能量，并减缓碰撞时的冲击载荷，从而起到保护乘员的作用。 1 2 薄壁管状结构耐撞性研究现状和进展 “耐撞性”一词起源于19 5 0 年左右，最初应用于美国航空安全领域，而后逐渐 应用于汽车工业以描述某一结构在碰撞事故中保护乘员的能力。由于当时车速不 高，缓冲吸能结构被认知和受重视的程度也不够，所以人们进行耐撞性设计时的 目标是尽可能避免车身变形，即提高车身结构的整体刚度。到了2 0 世纪6 0 年代， 研究人员意识到缓冲吸能结构对于碰撞动能吸收具有重要意义，即汽车前端各组 件要经过合理地布局设计，通过引入变形模式可控的缓冲吸能结构，使其碰撞时 能优先变形并最大限度地吸收碰撞动能，减缓冲击载荷，尤为重要的是使得碰撞 加速度保持在乘员能够承受的范围内，同时应保持乘员舱具有足够刚性，以免乘 员受到车辆自身结构的侵入伤害。在认识到缓冲吸能结构对于汽车耐撞性设计的 重要性之后，福特、通用等大型汽车公司相继投入巨资开展相关的研究工作。薄 壁金属管状结构因具有良好的塑性变形与能量吸收能力而引起了学者的关注，事 实上它在轴压变形时所耗散的能量比横向高一个数量级【12 1 ，因此薄壁金属管状结 构的轴向压缩吸能研究更为广泛。随着汽车保有量的增加以及车速的不断提高， 人们对汽车安全性能的要求越来越高，为满足人们对汽车安全性能日益增长的要 求，从上个世纪9 0 年代起，薄壁金属管状结构在轴向载荷作用下的耐撞性研究再 2 颀t 学位论文 次成为热点l 1 引。 薄壁管状结构的吸能性能是其耐撞性研究的核心问题，主要研究方法分两类： 一是基于有限元理论的计算机仿真研究；另一类是传统的实验研究，而实验研究 又可分为准静态和动态冲击载荷下的压缩吸能研究，其中动态冲击实验能较为真 实地反映结构在碰撞时的压缩吸能性能，但相应的实验成本较高，且结构破坏的 演化历程难以观测；而准静态实验则因具有易于控制、成本低廉、容易记录结构 的破坏历程、便于分析等优点而得到广泛应用与研究。薄壁金属管状结构的种类 较多，包括传统的方形、矩形和圆形结构、多边形( 六边形与八边形) 结构以及吸能 性能更为优良的多胞结构。由于多胞结构的复杂性制约了其定量分析的途径，因 而传统方形、矩形和圆形截面构件的吸能性能研究则更为广泛。薄壁金属结构轴 压下的吸能性能与材料特性、截面形状与尺寸、加载方式以及加载速度等因素有 关，下面将详细介绍典型构件在轴向加载情况下吸能性能与变形模式的研究现状。 1 2 1 圆管 金属薄壁结构主要是依靠塑性变形来吸收能量，塑性变形越充分，结构的吸 能性能越好，因此薄壁结构的变形模式是影响结构吸能性能的重要因素。圆管在 轴向压缩过程中的变形模式主要有以下4 种：手风琴模式( c o n c e r t i n am o d e ) ，金刚 石模式( d i a m o n dm o d e ) ，混合模式( m i x e dm o d e ) 以及欧拉模式( g l o b a lb u c k l i n g ) ， 分别如图1 1 所示，其中试样以手风琴模式变形时的塑性变形程度较高，材料得以 充分利用，吸能性能最佳，且变形模式相对稳定；而当试样发生欧拉模式变形时， 试样的初始变形在轴压力形成的弯矩作用下产生很大的横向位移而迅速失去承载 能力，试样的吸能效率大大降低，因此，耐撞性设计时应尽量避免圆管发生这种 模式的变形。 图1 1 圆管典型的变形模式1 7 。8 1 ( a ) 手风琴模式；( b ) 金刚石模式；( c ) 混合模式；( d ) 欧拉模式 不同时效状态下a i m g s i 型材的准静态压缩性能研究 不同的变形模式主要与圆管的长度l 、直径d 以及壁厚t 有关。a n d r e w s 【l 刿 等人对一系列不同几何特征的h t - 3 0 铝合金圆管( l d = 0 1 7 4 8 7 5 4 ，d t = 4 - 6 3 ) 进 行了准静态轴向压缩研究，给出了该铝合金圆管的变形模式分类图，其中直径与 壁厚之l 匕( d t ) 在1o 6 3 之间的试样以手风琴模式变形，不同的l d 比值对应着不 同的d t 值，其最大值约为5 ，也就是说为了保证金属圆管在轴压过程中发生手风 琴模式变形，在设计时l d 最大值不应超过5 。a b r a m o w i c zw 与j o n e sn 1 2 0 j 对5 种不同结构尺寸的低碳钢圆管( d t = 9 6 4 8 ，l d = 2 2 3 5 9 ) 进行了动、静态试验研 究，得出了两种加载方式下的变形模式分类图，确定了发生欧拉变形和渐进叠缩 变形的临界值。g u i l l o w l 2 1 】等人在对7 0 个t 5 态6 0 6 0 铝合金圆管进行准静态轴向 压缩研究后得出的变形模式分类图，如图1 2 所示。由图可知，试样以手风琴模式 变形时的l d 最大值为2 ，与a n d r e w s 的实验结果不一致，这说明圆管在轴向载 荷下的变形模式除了受几何特征的影响外，还与结构的材料属性相关。此外，在 动态冲击载荷下，瞬态响应、惯性效应以及材料的应变速率也是影响圆管变形模 式的三大因素。 o 一手风琴一欧拉 - 金刚石。其他 - 一混合 ： 欧拉棍合 1 7 _ “。 金刚石 誓霸： 仝 ， 一一旁、土q 三一一5 一 手? ? 。o 。qi l ：il 。凸i仓凸。 4 硕士学位论文 管以及多胞管等) 也呈现出类似的特性。 a 一蹄j 擎值载荷 ，二级帕 ! 值 f j r 籍迸扒 ? 7 j f nv ，v x v b uz u4 uo u5 uj u ui z u- q u d i s p l a c c m c n v m m 图1 3 轴向压缩条件下圆管典型的载荷位移曲线1 5 】 为了利于问题的分析，研究者往往从数学的角度提出圆管在轴向压缩下的理 论模型。1 9 6 0 年，a l e x a n d e r 2 3 1 最早对轴向圆柱管在手风琴模式下的平均压溃载荷 进行了理论研究，并提出了“静态塑性铰”的概念，建立了相应的能量吸收模型， 该模型假定所有的塑性绞同时形成，且圆管中面沿轴线方向没有伸张变形。 a b r a m o w i c z 与j o n e s 2 4 。2 5 j 在a l e x a n d e r 的刚塑性模型基础上进行了深入研究，意识 到管壁因弯曲变形而造成实际的压缩距离小于初始折叠长度，通过引入有效压缩 长度的概念【2 6 】提出了改进模型，并发现钢制圆柱管( d t = 9 2 5 ) 轴向压溃的平均载荷 与改进的理论计算模型相一致。w i e r z b i c k i 2 7 】等人在研究中发现实际测得圆管的能 量吸收值远高于a l e x a n d e r 模型的理论计算值，这是由于a l e x a n d e r 模型中的静态 塑性铰无法真实的反映出圆管折叠的运动过程，圆管的承载能力被低估。为改进 上述模型，他们引入了“移动塑性铰”的概念，并提出偏心率效应【2 引，根据改进的 模型得到不同偏心率的载荷一位移曲线，这一结果与d t 2 0 的圆管实验值相吻合。 s i n g a c e l 2 9 】等人对w i e r z b i c k i 建立的模型提出了改进，并给出了塑性铰长度和平均 压缩载荷，根据平均载荷最小原理计算出最优偏心率，并在进一步的试验1 3 0 j 中发 现该理论值与试验值吻合得很好。 上述金属圆管轴压吸能分析的理论模型具有里程碑的意义，且研究者都通过 实验的方法验证了自己所提出的理论模型，但实验中所采用的d t 值范围较窄。分 别在1 9 9 3 年和19 9 7 年，g u p t a 3 卜3 2 】等人研究了一系列不同状态的铝合金圆管与不 锈钢圆管( d t = 1 2 3 0 ) 在准静态轴向载荷下的吸能性能，并结合所有的实验结果， 提出了平均压溃载荷的经验公式。g u i l l o w 2 1 】等在6 0 6 0 铝合金圆管的准静态轴向 压缩研究中选择了足够大范围的d t 值( 1 0 - 4 5 0 ) ，并根据实验结果得出一个经验方 程，出乎意料的是该经验方程对轴对称、非轴对称以及混合模式变形的试样都很 适用。由于圆管的金刚石模式变形具有不稳定性与复杂性等特点，限制了其能量 吸收理论模型的研究。但p u g s l e y 与m a c a u l a y l 3 3 1 还是试图对圆管的金刚石模式变 形进行了研究，基于塑性功原理提出了平均载荷的计算公式，并由j o n e s 等人【3 4 j 加 船 如 m o z)【、焉。一 不同时效状态下a i m g s i 型材的准静态压缩性能研究 做了进一步改进。以上金属圆管的轴压吸能分析模型见表1 2 。 表1 2 金属圆管能量吸收分析模型 1 2 2 方管 薄壁方管作为吸能元件在轴向载荷作用下具有优良的吸能性能而得到广泛研 究与应用。在轴向载荷作用下，方管与圆管的典型载荷位移曲线呈现出相类似的 特征，即轴向载荷达到初始峰值后迅速降低，随后在均值载荷附近波动直至试样 被完全压缩。尽管如此，但两者的变形模式却截然不同。方管在轴向压缩载荷作 用下的变形模式主要分为轴对称模式( s y m m e t r i cm o d e ) 、非轴对称模式 ( a s y m m e t r i cm o d e ) 、过渡模式( t r a n s i t i o nm o d e ) 与欧拉模式( g l o b a lb u c k l i n g ) 等4 种 模式，其中轴对称模式描述了3 种不同类型的变形：1 ) 同一折叠层由两个相对边 的外凸褶皱与剩余两对边的内凹褶皱构成，如图1 4 ( a ) 所示，由图可知压缩后的方 管形成了1 2 个轴对称折叠层；2 ) 三个内凹褶皱与一个外凸褶皱形成一个折叠层； 3 ) 方管四周的褶皱同时外凸或内凹形成的折叠层，该变形模式也称为延展性模式， 如图1 4 ( b ) 所示。上述三种情形的变形模式对方管的吸能性能与平均载荷影响不 大。a b r a m o w i c z 与j o n e s 【6 j 将非轴对称模式分为两种类型：类型a 与类型b 。类 型a 的同一折叠层由三个任意外凸褶皱与一个内凹褶皱构成，如图1 5 ( a ) 所示， 而类型b 的同一折叠层是由方管相邻两管壁内凹而其他相邻管壁外凸形成的褶皱 所组成，如图1 5 ( b ) 所示。过渡模式是区别于方管轴对称与非轴对称模式的又一重 要变形模式，当方管以非轴对称模式变形时，试样变形的不均匀性会引起载荷的 6 硕士学位论文 重分布，从而导致未变形的试样发生偏离垂直轴的倾斜现象，这种不稳定性( 倾斜) 足够大时，试样的变形将由渐进屈曲转变为欧拉变形而迅速失去承载能力。当试 样相对较长时，方管往往发生整体欧拉失稳变形。此外t i m o s h e n k o 等【3 5 】手旨出，对 于材料韧性较差的方管在承受轴向载荷时，其四条棱边会迅速开裂而使试样的承 载能力急剧降低。因此，在进行结构设计时需充分考虑结构尺寸、材料属性等因 素，以避免欧拉模式或棱边开裂的现象出现。 图1 4 方管的轴对称变形模式1 6 】( a ) 外凸内凹模式；( b ) 延展性模式 图1 5 方管的非轴对称模式1 6 1 ( a ) 类型a ；( b ) 类型b 材料的断裂韧性足够时，方管在轴向载荷下的变形模式主要取决于结构的长 度l 、宽度c 以及厚度t ，确定不同变形模式的临界尺寸参数一直是耐撞性研究的重 点课题。a b r a m o w i c z 等 2 s l 在一系列低碳钢方管的动、静态试验中发现，准静态条 件下方管的宽厚比( c t ) 对其变形模式的影响较大，其中0 c t 4 0 8 时方管 发生轴对称变形模式。值得一提的是对于同种方管而言，试样的初始缺陷对屈曲 载荷的影向较为显著；在动态冲击载荷下，方管的变形模式还受冲击速率的影响， 冲击速率较高时，非轴对称变形下类型b 模式所对应的c t 值的范围有减小趋势。 a b r a m o w i c z 与j o n e s i j6 j 还在其19 9 7 年的研究中确定了不同结构尺寸的低碳钢试样 发生渐进叠缩变形与整体欧拉失稳变形的临界值，并绘制了准静态与动态载荷下 不同变形模式的分布图，如图1 6 所示，由图可知无论试样承受何种载荷，随着c t 值的增大，界定方管变形模式的无量纲参数l c 值有所提高。此外，a b r a m o w i c z 【3 7 j 以及l i 等人【j 副的研究还表明材料属性对方管变形模式的影响不容忽视。 就芸勰裟一勰茹 硕士学位论文 可能地保持恒定； 3 ) 吸能结构在碰撞过程中的变形模式具有可控性、可重复性与稳定性。此外， 吸能结构还应提供足够长的变形行程以吸收更多能量； 4 ) 吸能结构通常是破坏后可更换的装置，即一次性使用，所以吸能结构应具 有易于生产与更换，且成本低廉等特点； 5 ) 在汽车轻量化发展的趋势下，车辆前端吸能结构所使用的材料应具有较高 的比吸能，即单位质量所吸收的碰撞动能。 吸能结构在准静态轴向压缩过程中的吸能性能在力学特性上表现为载荷与位 移的关系，为了具体研究吸能结构的吸能性能，研究人员针对载荷一位移曲线提出 了很多结构吸能性能的评价指标，以图1 7 中的载荷位移曲线为例，常用的指标有 以下几个： ( 1 ) 吸收的总能量u 与比吸能u 。 吸能结构在压溃过程中吸收的总能量由下式计算： u 2 上f ( s ) d s ( 1 1 ) 式中：f 载荷水平 s 瞬时位移 总能量u 反映在载荷一曲线上为载荷曲线与坐标轴围成的面积，如图1 7 阴影 部分所示，图中斜线为结构吸收的能量随位移变化的情况，显然在相同位移内结 构吸收的总能量越多，其吸能性能越好。 结构的比吸能u 。定义为参与变形的结构中单位质量所吸收的能量，可表示为： u 2 兹 ( 1 2 ) 式中：m 结构变形部分的质量 ( 2 ) 平均载荷r 平均载荷反映了结构在压缩过程中的整体载荷水平，由下式计算： l = i 1l f 搬 ( 1 3 ) 显然在压溃距离相同的情况下，结构承受的平均载荷越大越利于能量吸收， 平均载荷随位移的变化曲线见图1 7 。 ( 3 ) 峰值载荷f p 峰值载荷反映了初始过载情况，常出现在结构压缩过程中的临界屈曲状态， 其值应小于厂家提供的许可值，以避免碰撞过程中因峰值载荷过高引起车辆其它 部件的破坏。 9 不同时效状态下a i - m g s i 型材的准静态压缩性能研究 d i s p l a e e m e n t m m 图1 7 某结构的加载载荷、平均载荷与吸能性能随位移的变化 1 46 x x x 系铝合金及其热处理 在过去的几十年中，钢一直是汽车行业的主要材料，但由于全球环境问题的 恶化，严格法规的出台迫使汽车制造商不得不转向选择轻质材料，以降低汽车的 油耗并减少温室气体的排放。目前汽车中铝合金的减重效果与传统的钢结构相比 可达2 5 至4 0 不等，因而受到汽车行业的一致认可【45 1 。除此之外，铝合金还能 改善材料的碰撞性能，这是由于相同重量下的铝合金比钢结构具有更高的能量吸 收能力。各种形式的铝合金边梁在众多车型中得到使用，如防撞梁。值得特别提 出的是铝合金的加工几乎不受构件几何因素的限制，可灵活的采用挤压或铸造等 加工方式进行复杂截面的成型，以满足汽车主要结构件的设计与制造。因而铝合 金挤压件或薄壁压铸件得到越来越广泛的应用，且工程实践表明合理地布置挤压 或压铸元件不仅促进了结构设计的革新与发展，而且还达到了零件整合的目的， 显著降低了构件的重量与制造成本。因此，铝合金挤压件或压铸件的使用正在改 变汽车的制造过程，转向靠螺栓连接的空间框架结构，这与传统的应用于航空航 天的结构已没有太大区别。 a 1 m g s i 合金因具有优良的碰撞吸能性能与成型性能而广泛应用于结构设 计，如a a 6 0 1 4 、a a 6 0 6 0 、a a 6 0 6 1 。 6 x x x 系( a 1 m g s i ) 变形铝合金系可热处理强化的中高强度铝合金，具有良好 的耐蚀性、可焊性、成型性能以及抗应力腐蚀性能等特点，尤其是在热状态下的 塑性很好，可高速挤压成各类复杂截面形状的薄壁中空型材。m g 和s i 是其中主 要的溶质原子，它们通过沉淀强化而提高该类合金的强度。此外，其它合金元素 的加入能显著提高合金的力学性能：加入适量的c u 可提高合金的强化效果【4 6 】； m n 和c r 能改善合金的晶粒度并中和f e 的不利影响；t i 能促进异质形核以细化晶 粒；z r 也能细化晶粒并抑制固溶处理中的再结晶过程；p b 和b i 可提高合金的切 削性能。a 1 - m g s i 合金中的强化相为m 9 2 s i ，其中m g 与s i 的质量比为1 7 3 ：1 ， 在合金成分设计时一般参照此化学计量比或使s i 适量过剩，因为过量的m g 会降 1 0 硕士学位论文 低强化效果，而适量的过剩s i 能促进合金的析出动力学，同时s i 沉淀后能提高材 料的强度1 4 。但过量的s i 易在晶界偏析引起合金脆化，降低材料塑性。 6 x x x 系铝合金具有很大的工业前景，因为所有的挤压产品中铝合金占2 3 ， 而这些铝合金挤压制品中9 0 是6 x x x 系铝合金。商用a 1 一m g s i 合金大致可分为 3 组1 4 列：第一组合金中m g 和s i 按平衡态化学计量比加入，含量在o 8 1 2 之 间( 即a 1 0 8 1 2 m 9 2 s i ) ，典型合金为a a 6 0 6 3 ，是应用最广泛的挤压铝合金， 其t 6 态下的屈服强度为2 1 5 m p a 、抗拉强度为2 4 5 m p a 。其他两组中合金m g 和 s i 的含量均超过1 4 ，经时效后强度有所提高，但淬火敏感性随之升高，因而通 常在挤压后需单独进行固溶淬火处理。第二组合金中m g 与s i 同样具有平衡态含 量，如a a 6 0 6 1 ，为提高该组合金的力学性能常加入适量的c u ，同时加入适量的 c r 以抵消c u 对耐腐蚀性能的不利影响，该组合金通常作为结构材料使用。第三 组合金中s i 含量超过平衡态m 9 2 s i 所需的量，过剩s i 通过析出强化并细化m 9 2 s i 颗粒来促进时效硬化过程，但同时过量s i 易在晶界偏聚而降低材料塑性。此外， c r 与m n 的加入可细化晶粒并抑制固溶过程的再结晶过程。各组合金中最常用合 金的化学成分如表1 3 所示。 表1 3 三种铝合金的化学成分范围【4 9 - 5 0 1 ( w t ) 对于大多数铝合金来讲可通过沉淀强化来提高合金的强度、硬度等力学性能， 6 x x x 系铝合金也不例外。合金强化与硬化过程的实质是：基体中过饱和的溶质 原子脱溶形成细小的弥散第二相，它们能够阻碍位错运动从而提高合金的力学性 能。对于同一种合金，析出的第二相越细小，材料的强度越高。另外，析出强化 的热处理过程还能改变合金材料的其他性能，如耐腐蚀性能、抗蠕变性能等。析 出强化的热处理过程主要分为三步：固溶处理、淬火以及在预定温度的时效过程。 合金所获得的性能取决于控制这些过程的参数，如固溶处理的温度、淬火速率、 时效温度与时效时间等。合金的化学成分对性能也有一定的影响，但对于给定的 合金，该因素则不予考虑。下面将对上述热处理过程进行详细介绍： 1 4 1 固溶处理 铝合金沉淀强化过程中关键的第一步是要通过固溶处理以获得固溶体组织， 固溶处理的目的是将合金中的第二相全部或最大限度的溶入到基体中形成高度密 集的可析出粒子。第二相在基体中的溶解度强烈依赖于温度，室温下第二相在基 体中的溶解度较低，但随着温度的上升，溶解度逐渐增大。在二元系统合金中， 不同时效状态下a i - m g - s i 型材的准静态压缩性能研究 当合金加热至固溶度曲线以上、液相线以下的温度，并保温一定时间，合金便会 形成完全的固溶体。而对于三元或四元系统合金，由于加入的新元素对溶质固溶 度的影响以及低熔点共晶合金的形成，固溶温度将发生变化。为了避免合金过热 或过烧，应对固溶温度的范围加以严格控制。6 x x x 系合金中m 9 2 s i 在a l 基体中 的平衡溶解度随温度的变化如图1 8 所示，由图可知对于m 9 2 s i 含量为1 0 8 的合 金，固溶温度应高于5 0 0 。c ( 固溶度曲线) 但低于液相线5 9 5 。然而合金中一些组 元可能形成复杂的共晶体，从而在平衡共晶温度以下便开始熔化，因而此类合金 的固溶温度上限应在5 1 5 5 4 0 之间。另一方面，若固溶温度低于正常范围，则 会引起固溶不充分，导致强化效果不理想。 7 霉 5 毒 飘辩 2 1 s o li 鲞u s 哆 。 7 s 端毒c a l 身s 黼a 。甾一 气 s o 孙r i 糟； | | jl _ 淫 _ | 删r a c l t l oo ll 。稔 l 2 0 0 o o o o 钓o 柏o 2 1 2 争，*誊#0霉ap譬滞铲*蒜_l鏊蓬葺11 硕士学位论文 截面复杂的挤压件，为保持其尺寸稳定性，淬火介质通常选用6 5 。c 8 0 。c 的热水或 其它有机合成液等介质。 1 4 3 时效处理 经固溶淬火后的过饱和固溶体处于热力学不稳定状态，有自发分解并析出过 剩溶质原子( 脱溶) 的趋势。通过时效处理可使溶质富集颗粒从过饱和固溶体中脱 溶，形成阻碍位错运动的弥散第二相，从而达到强化的效果。在室温下进行的脱 溶过程称为自然时效( t 4 ) ，自然时效过程由于温度低，原子的扩散能力较弱，合金 只能完成析出的初级阶段。为了加速脱溶过程，将淬火后的过饱和固溶体加热至 一定的温度保温的过程称为人工时效( t 6 ) 。时效过程中过饱和固溶体自发地分解， 合金相的晶格回复至更加稳定的状态。这一过程的敏感程度取决于时效温度与过 饱和程度。时效温度越高，过饱和程度越大，则上述过程进行时越敏感。 a 1 m g s i 合金经淬火后可进行自然时效或人工时效强化处理，对同一成分的 合金来讲，自然时效的强化效果不如人工时效明显，因为前者的强化效果以g p 区为主，而后者以过渡相( d ”相) 为主。a 1 m g s i 合金的人工时效通常在1 7 0 。c 2 0 0 。c 进行：温度过低，峰值时效所需的时间延长；温度过高，析出的弥散第二相易聚 集粗化，影响合金的强化效果。在生产过程中a i m g s i 合金具有“停放效应”，即 在线淬火后的合金在室温停放一段时间后再进行人工时效，将对合金最终的力学 性能产生正面或负面影响。当合金中m 9 2 s i 相含量超过1 时，固溶后在室温停放 2 4 h 将引起拉伸性能大大降低，比固溶后立即进行时效的试样低1 0 。主要原因如 下：一方面