6016铝合金变形应变场研究新方法

张冬冬， 王 勇， 任 祥， 冉 旭

（长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

车身轻量化是节能减排的重要途径之一，在致力于车身轻量化的同时，强度也不容忽视，这就使车身轻量化的任务更加复杂化。在车身轻量化研究中，人们对铝的兴趣日益高涨［1－2］。如果在掌握铝合金变形时应变场变化规律的情况下，准确定位成形极限，那么铝合金在汽车工业领域将具有广泛的应用前景。

在铝合金变形过程中，为了对应变场变化进行定性分析，需要一种能够准确、快速的表征材料性能的方法。在几年前，数字图像相关方法应用于这个领域［3－6］。传统2D DIC系统（单架摄像机）首次应用于样品面内变形量的测量（如拉伸试验）［7－8］。近年来，传统3D DIC（两架摄像机）系统被广泛应用于外部变形的测量［9］，但是，传统3D DIC系统有两方面的不足［10］，首先是过于依赖装置的稳定性，也就是说，实验中两台相机的位置必须要精确定位。另一个是实际工作中的测试时，复杂的环境条件会使系统丧失精确性［11］。为了克服这些不足，本研究使用的3D DIC系统（多架摄像机）是全视野的、无接触的数值测量方法，以每秒超过15帧记录图像。全视野测量方法可以追踪试样上不同点的位置，并且对应着X，Y，Z轴定义每一点并测得相应的位移和应变。

文中目的就是找到一个可重复使用的、操作简单和不受环境约束的方法。通过这种方法可以对不同的材料进行实验与测量，不受制于形状、大小、温度及环境的限制，对试验样品的变形行为进行记录。这种方法就是上文提到的3D DIC，以6016铝合金为例，采用3D DIC系统测量铝合金的变形行为和应变场分布，对铝合金的应变场分布与变化进行研究，从而确定6016铝合金的成形极限。

1 实验材料、设备与方法

1.1 实验材料

文中选用6016铝合金为研究对象，其化学成分见表1。

表1 6016铝合金化学成分 wt%

铝合金板材在垂直于轧制方向（横向T），沿着轧制方向（竖向R）与轧制方向成45°（斜向D）分别取拉伸试样。样品由电火花切割机加工而成，尺寸如图1所示（单位mm）。

图1 6016铝合金拉伸样品尺寸

由于铝合金表面光滑容易反光，文中进行表面着色处理来降低光面反射率。样品拉伸前照片如图2所示。

图2 6016-T4铝合金拉伸前样品图

拉伸过程中由DIC系统获得实时的样品变形及应力－应变数据。

1.2 实验设备

实验使用的拉伸试验设备的型号为WDW-200，如图3所示。

图3 WDW-200型万能拉伸试验机

实验设备由3个CCD摄像机、1个绿色的LED光源，1个拉伸试验机、1个固定的黑色背景和几台用来记录数据的电脑组成。绿色的LED灯和黑色的背景板为试样提供最佳的照明并且降低周围环境的影响，在实验中，整个背景在DIC中的灰度值为0。实验设备的关键组成部分就是用来记录数据的3台摄像机。对于单一的子集，实验通过三相机来观察，程序首先会对整个样品覆盖观察然后定位子集。同样，三相机DIC系统也可以被认为是3个独立的DIC系统，可以通过其中任意两个相机的相关性而进行数据重组，这样就可以得到最理想的结果。相对于传统DIC系统，三相机DIC系统有许多优点，最大的优点就是在实际测量中的高精度。而且三相机DIC系统具有高的测量的准确性，可以提供更多的冗余数据。

1.3 实验方法

对6016铝合金进行拉伸试验时，选择的是等速拉伸，拉伸速度是12.7 mm／min。在拉伸过程中，所有的摄像机同步运行，同样拉伸试验机的控制器和摄像机也是同步的，这样采集数据和拉伸试验可以同时开始。相机的数据采集率和拉伸试验机设置为30 Hz。采集率的有效分辨率为2 500×200像素。文中子集的大小设置为21× 21像素，网格空间设置为6像素，精度为0.05像素。

2 实验结果与讨论

2.1 3D DIC系统的构建

数字图像相关方法是全视野的、非接触式的方法，使用CCD或者CMOS摄像机来记录和跟踪试样的单个点。利用两个或者更多的相机所得数据，软件能够计算出X，Y，Z坐标以及在每个方向上的应变。这样可以通过跟踪像素和其周围小区域的运动来完成，这类区域称为子集；子集的数量将会随着不同的设置而发生变化。其原理是定义区域或者子集虽然可能会变形，但定义区域或者子集的光反射数量应该是相同的。通过这种方法，软件能够无视变形地追踪每一个点。但是在实验时，由于照明条件和其它因素的影响，使点的追踪过程更加复杂。一般来说，DIC系统是由两个同步的摄像机来组成的，因为对于空间内的一个点，两个摄像头可以提供足够的数据进行三维重组。文中使用3D DIC系统，这个系统和传统的3D DIC系统的基本过程相同，但是通过3个相机记录的数据可以进行数据优化匹配，提高其精确度，得到理想结果。

当3台相机对准同一区域时，它们任何一个都可以是参考相机，因此在测量过程中，这个系统相当于3个独立的DIC系统。对于物体表面的每一个点都有3套数据，通过两两匹配，选择最佳数据进行分析。对于传统DIC系统，相关误差大约是0.2像素，但是，三相机系统将误差值减小到0.05像素。

使用传统3D DIC系统需要对系统进行精确校准，才能使得两组数据相关并且得到理想结果。如果校准出现问题，那么数据就会失去相关性或者相关性很小。任何一种情况都会造成实验失败。而第3台相机所得到的数据可使得相关性的数量从1增加到3。3组数据进行两两相关重组，就可以选择误差最小的数据作为最后结果。由于每次结果只用到两组数据，那么从3D DIC系统摄像机出来的数据就有一组是冗余的。虽然有些数据可能不会作为最后的结果使用，但是每个相机都是必不可少的。由于系统不需要像2D或者传统3D DIC一样校准，因此使用起来更简便，更加适合大量样品的测量。

2.2 6016铝合金在不同取样方向上的应力－应变曲线

文中研究的6016铝合金为轧材，因此需要在不同方向上分别取样，分析其拉伸性能，主要对其抗拉强度、屈服强度、延伸率和应力－应变曲线进行对比，结果如图4所示。

图4 不同取样方向上6016铝合金的应力－应变曲线

图4为6016-T4铝合金与轧制方向成不同角度的样品的应力－应变曲线。通过对比分析横向、竖向和斜向的拉伸性能及应力－应变曲线，发现随轧制方向的改变，其力学性能无明显变化。这表明，取样方向不同，对样品的抗拉强度、屈服强度和延伸率没有太大的影响，6016铝合金的轧制并未使其沿轧制方向产生各向异性。

6016铝合金在等速拉伸下进行变形，随着时间的增加，进入塑性变形阶段，这时就会产生颈缩，这个颈缩称之为初始颈缩（Diffused Necking），这是一个均匀的变形阶段。当拉伸继续进行时，厚度方向上也会产生类似颈缩，这个颈缩称之为厚度初始颈缩（Localize Necking，LN），而LN就是FL的初始点。由图4可以看出，3D DIC系统可以完全象传统的3D DIC系统一样，测量出样品的应力－应变曲线，同时，3摄像机3D DIC系统还可以做FL的分析。

2.3 成形极限的确定

为了测量6016-T4铝合金FL，文中采用3D DIC系统进行试验和全程同步数据采集。在实验开始前，建立一个基准面并且设置其坐标为“平面”即所有坐标都是“0”，拉伸开始时，看变形子集到基准面的距离，到基准面距离最大的子集就是变形最大的区域，这部分区域可以找到6016铝合金的FL，如图5所示。

图5 变形子集到基准面的距离

图5显示的是颈缩区横断面的形状变化，由图中可以看出曲线变化较大，曲线的变化程度与趋势也同样是样品表面的真实变形情况。同时，也可从图中看出，在标示位置，点到标定面的距离瞬间急速变化，这就是颈缩的开始，同样也是6016-T4铝合金的FL。

2.4 时间－应变曲线确定6016铝合金FL

为了研究铝合金样品的FL与形变参数之间的关系，分析了多种实验参数（如时间、应力、应变、延伸率等），最终确定了时间与应变之间的关系，并绘制出关系曲线，找到了FL，如图6所示。

图6 6016-T4铝合金时间－应变曲线

图6中的关系曲线显示时间与应变基本上呈线性关系，并且大致可以分为两个阶段。第1阶段内，随着时间的变化，应变变化不大，变化速率较低；经过约80 s之后，变化进入第2阶段内，此时变化速率急剧增大，然后断裂。所以可以确定，应变斜率急速变化的转折点即为FL。

2.5 6016-T4铝合金样品拉伸后形貌

6016-T4铝合金样品拉伸后样品图如图7所示。

图7 6016铝合金拉伸后样品图

由图中可以看到，试样在拉应力作用下发生断裂，在接近断口处可以看到明显的颈缩现象，剪切面方向与拉伸轴线近似成45°。

2.5.1 6016铝合金样品拉伸断口观察

6016铝合金样品的拉伸断口不同放大倍数的SEM形貌如图8所示。

图8 6016铝合金样品拉伸断口SEM形貌

由图中可以看出，样品断口处主要是由大量的韧窝组成，是典型的韧性断裂。

2.5.2 断口处金相显微组织

在样品断裂前经过明显的弹性变形阶段、塑性变形阶段，然后产生颈缩，而在本实验中，通过观察可以发现，样品不单单只是一处产生颈缩，而是产生了多重颈缩，最后发生断裂。而断裂点只是其中一个颈缩点，即最大程度的颈缩点。不同放大倍数的铝合金拉伸样品断口处的显微组织如图9所示。

图9 6016铝合金样品拉伸断口处显微组织

由图中可以看出，样品在断裂前发生了大量塑性变形，原晶粒被拉长或破碎，不再保持原来的大小、形状，有时能看到滑移的痕迹。

3 结 语

1）6016铝合金经过轧制后，各个方向上的力学性能没有表现出巨大差别，即并未因为轧制而产生各向异性。

2）3D DIC系统操作更加方便，不仅对试样的形状无具体要求，而且在切换试样的过程中无需对摄像机进行重新定位，同时，由于多出一架摄像机，可得冗余数据，最终对多组数据优化匹配，得到较理想的结果，在实际的测试当中具有更好的实用性。

3）通过多架相机3D DIC系统，以6016-T4铝合金为例，找到FL，同时定义了时间和应变的关系曲线上的FL。

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