两种结构用铝合金循环加载试验研究

郭小农　邹家敏　刘林林　高舒羽

摘要：铝合金材料的滞回性能是研究铝合金结构抗震性能的基础.针对国产6082T6和7020T6铝合金，采用等幅升幅、等幅交替和循环拉伸3种不同的加载制度进行循环加载试验，最大应变控制在±4%.试验采用标距与直径比为1.5的小标距试件防止其在循环加载时发生受压失稳.小标距试件和标准试件的单调拉伸结果对比表明，在4%的应变范围内，小标距试件和标准试件的试验结果相差很小，因此采用小标距试件进行循环加载试验是可行的.通过循环加载试验获得了铝合金材料的应力应变关系及滞回特性.试验结果显示，铝合金材料有良好的滞回性能和延性，加载方式对其骨架曲线有一定影响.

关键词：铝合金；循环加载试验；滞回性能

中图分类号：TU512.4文献标志码：A

Cyclic Loading Tests of Two Types

of Structural Aluminum Alloy

GUO Xiaonong， ZOU Jiamin， LIU Linlin， GAO Shuyu

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai200092， China）

Abstract：The hysteretic behavior of aluminum alloy is fundamental for studying the seismic behavior of aluminum alloy structures. A total of three different loading protocols， including cyclic ascending， cyclic alternating and cyclic tensile， with the maximum strain amplitude up to ±4%， were adopted for the 6082T6 and 7020T6. In order to avoid buckling， the small gauge specimen with lengthtodiameter ratio of 1.5 was adopted. The comparison of monotonous tensile results between the small gauge specimen and standard specimen revealed that the error of the two specimens was very small， which indicated the feasibility of the adoption of the small gauge specimens. The stressstrain relationship and hysteretic behavior of aluminum alloy were also obtained by cyclic loading test. The obtained results show that the aluminum alloy has good hysteretic behavior and ductility， and the load protocol influences its skeleton curve to a certain extent.

Key words：aluminum alloy； cyclic loading test； hysteretic behavior

由于鋁合金结构具有自重轻、耐腐蚀和易加工等诸多优点，在国内外应用十分广泛[1-2].随着铝合金结构应用日益增多，许多学者对铝合金结构的静力承载性能进行了深入研究[3-6]；同时，诸多学者对铝合金结构的抗震性能也开展了研究，2016年，同济大学郭小农等[7]对铝合金板式节点网壳的阻尼特性进行了试验研究，并建议其阻尼比可取为3%.

6082T6铝合金是我国近年来研发的新型合金牌号，其强度比6061T6略高而延伸率略低，主要用于铝合金结构构件；7020T6铝合金的强度更高，通常用于铝合金结构的连接螺栓以及节点板.在强震作用下，铝合金构件和节点均会经历较大的循环塑性变形，可能因为过大的塑性变形而断裂，从而引发整个结构的破坏.为了深入研究铝合金结构在强震作用下的延性和耗能能力，首先需要研究铝合金材料的滞回性能.

目前，国外对铝合金本构关系进入了深入的研究[8]，并提出了诸多本构关系模型.如Ramberg和Osgood[9]于1939年提出的三参数RambergOsgood模型；Baehre于1966年提出的贝尔模型[10]；Mazzolani在其著作《铝合金结构》中提出的马佐拉尼模型[10].而在国内，同济大学郭小农等[11]完成了45个国产结构铝合金拉伸试验，试验结果表明国产结构用铝合金6061T6的本构关系可以采用RambergOsgood模型表达，其指数n可以根据Steinhardt建议确定.

相对于单调拉伸本构关系的研究，国内外对于铝合金材料滞回性能的研究还不够成熟.1995年，Hopperstad等[12]对AA6060T4、AA6060T6铝合金进行了单轴滞回性能的试验和数值研究，试验应变幅最大为1.2%，结果表明两种材料的滞回曲线都比较饱满，且表现出一定的包辛格效应，其中T4试件表现出明显的循环硬化，而T6则表现出不明显的循环软化特性.2012年，意大利Matteis等[13]对ENAW1050AH24铝合金（一种经过热处理后性能接近于纯铝的材料）进行了拟静力试验，试验结果表明材料具有良好的循环受力特性，滞回环稳定饱满，相同位移下拉压应力幅值基本一致，等向硬化现象明显.2013年，波兰Dusicka等[14]采用热处理铝合金6061T6511进行了单调拉伸和循环加载试验，试验结果表明滞回曲线由初期线弹性直线段、平滑非线性过渡段和塑性发展段构成，且卸载刚度与初始刚度基本相同.总体来说，目前欧洲学者对铝合金材料滞回性能有一定研究，但材料的牌号有限；而国内对于铝合金滞回性能的研究则基本空白.

基于此，本文以6082T6和7020T6两种牌号的铝合金作为研究对象，在3种循环加载制度下进行滞回性能试验，研究铝合金材料在循环荷载下的滞回性能.

1试验概况

1.1试件设计

试验针对6082T6和7020T6两种牌号的铝合金材料，进行-4%～+4%应变幅的循环加载.

试验中铝合金材料的力学性能由单调拉伸试验确定.单调拉伸标准试件根据国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[15]设计，具体尺寸如图1（a）所示.其中，标距段长度为65 mm，直径为10 mm，标距与直径之比为5.0，夹持端直径为20 mm.

为避免在循环加载试验过程中发生受压失稳现象，循环加载试件采用了较小标距.本文根据国家标准GB/T 15248-2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》[16]设计了小标距循环加载试件，如图1（b）所示.其中，标距段长度为15 mm，直径为10 mm，标距与直径之比为1.5，夹持端直径为20 mm.

每种牌号的铝合金材料分别设计3根单调拉伸试验标准试件、1根单调拉伸试验小标距试件和3根对应着3种不同循环加载制度的小标距循环加载试件.试件编号如表1所示.

1.2加载制度

本试验在上海交通大学力学实验中心疲劳和断裂联合实验室MTSLandmark （100 kN） 试验机上进行，试验装置见图2.在试验过程中，小标距试件采用标距为10 mm的引伸计采集变形.

循环加载的加载制度通过计算机编程实现，计算机通过名义应变控制整个加载过程，试验程序符合国家标准GB/T 15248-2008.具体加载制度见表2及图3.循环加载加载制度均采用三角波，加载应变速率为0.000 5/s.在加载制度完成后，取下引伸计，将轴向力卸载至零，然后拉断.

2试验结果及分析

2.1单调拉伸试验结果

为了验证小标距试件结果的合理有效性，首先完成了小标距试件的单调拉伸试验，并将其结果与标准试件拉伸试验结果进行了对比.单调拉伸试验加载方式根据国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的规定进行.当应力小于名义屈服强度时，单调试验的加载速率为0.1 mm/min；应力达到名义屈服强度后再以0.5 mm/min的加载速率将试件拉断.

图4为标准试件和小标距试件单调拉伸试验后的破坏形态对比，表3为两类试件单调试验结果对比.AL6小标距试件与标准试件破坏形态大致相同，在断口附近有明显的颈缩，断口截面成杯口形状；而AL7小标距试件断口附近颈缩不明显，断口截面接近于平面.从表3可以看出，标准试件单调拉伸得到的名义屈服强度、抗拉强度和断后延伸率均符合国家标准GB/T228.1-2010要求；小标距试件单调拉伸试验的名义屈服强度和抗拉强度与标准试件相差较小，但因其标距只有15 mm，颈缩段所占比例远大于标准试件，故断后伸长率远大于标准试件.图5为两类试件的名义应力应变曲线对比，从图中可以看出在名义应变εnom<0.040时，标准试件和小标距试件的曲线基本重合，这说明小标距试件在±4%应变范围内进行循环加载是可行的.

2.2真实应力应变曲线和名义应力应变曲线

对比

众所周知，当应变较大时，真实应力应变曲线和名义应力应变曲线之间会出现较大差异.为了衡量应变范围±4%以内名义应力应变关系的准确性，本节将单调拉伸得到的名义应力应变曲线和真实应力应变曲线进行了对比.真实应力应变的转换公式如式（1）、式（2）所示，其中σ和ε分别为真实应力和真实应变，σnom和εnom分别为名义应力和名义应变.

ε=ln 1+εnom（1）

σ=σnom1+εnom（2）

图6列出了AL6和AL7小标距试件的真实应力应变曲线和名义应力应变曲线；表4给出了真实应力和名义应力的数值对比.从图6可知，当εnom=0.040时，真实应力应变曲线和名义应力应变曲线已经有明显的分叉，越到后期分叉越大.从表4可以看出，当名义应变εnom=0.040时，对应的名义应力和真实应力最大差别为4.18%；当名义应变εnom=0.050时，对应的名义应力和真实应力最大差别为5.25%；而真实抗拉强度和名义抗拉强度的最大差别则达到了11.1%.由此可见，当εnom>0.050时，宜采用真实曲线代替名义曲线.后文循环加载试验的名义应变均不超过5%，采用名义应力应变的偏差较小，故对试验数据的分析讨论均可直接采用名义应力应变数值.

2.3循环加载试验结果

各循环加载试件的破坏形态如图7所示，各试件编号标注于图中.其中，AL6a试件为受压失稳破坏，其余试件均为拉断，断口呈金属光泽.AL7c、AL6c这两根循环拉伸试件，试验现象与单调拉伸试验类似，有明显的颈缩段，断口呈杯口状；AL7a、AL7b试件在试验过程中没有明显的颈缩现象，断口较单调拉伸试件更为平整；AL6b试件发生与单调拉伸试验相似的颈缩现象，表现为塑性断裂模式.

表5给出了循环加载试件的实测直径和断后伸长率，其中AL6a由于受压失稳，无法测量其断后伸长率.由表5可以看出，除循环拉伸外，等幅升幅、等幅交替这两种加载制度下的断后伸长率均小于单调拉伸试验（表2）.其原因是在循环拉伸的加载制度下，积累了较大的拉伸塑性变形，从而降低了断后延伸率；同时也揭示了拉压循环的累积塑性应变对于铝合金材料损伤的影响.另外还可以发现AL7试件的断后伸长率小于AL6构件，说明AL7铝合金材料的塑性弱于AL6铝合金材料，这也佐证了AL7小标距试件破坏的断口更加平整以及颈缩段不明显的现象.

图8为6根试件在循环加载制度下的名义应力应变滞回曲线.从图8可以看出铝合金材料的滞回曲線比较饱满，滞回性能较好.随着应变的增加，应力也不断上升，试件发生循环硬化；当应变增加到一定程度后，硬化现象不再明显.表6给出了试件AL6a在每个循环应变达到设定值时所对应的应力值.从表6和图8可以看出，在同一应变幅下的各圈滞回曲线并不完全重合，表现出一定的应力强化现象.各级循环的卸载弹性模量大致相同，这说明循环塑性损伤对于铝合金材料滞回性能影响不大.另外从图8还可以看出，等幅升幅试件在第1圈循环中，其拉伸时的屈服点大于反向压缩卸载时的屈服点，表现出一定的包辛格效应.

2.4单调拉伸曲线与循环骨架曲线比较

图11分别为AL6和AL7两类小标距试件的单调拉伸曲线和各循环加载制度下第一象限骨架曲线的对比.从图11可以看出，循环拉伸试件的骨架

曲线与单调拉伸试件的试验曲线基本重合，这说明循环拉伸对铝合金材料的本构影响不大；而等幅升幅和等幅交替试件的骨架曲线在弹性段和单调拉伸试件曲线基本重合，在塑性段均高于单调拉伸曲线，这说明在循环加载中，试件出现了应力强化现象.从图11还可以看到，在曲线的转折点处，各骨架曲线和单调拉伸曲线具有一定差异，骨架曲线提前进入屈服段，而单调拉伸曲线的弹性段则更长.

3结论

本文完成了国产6082T6和7020T6铝合金的循环加载试验，通过试验可以得出以下结论：

1）通过单调拉伸试验证明小标距试件和标准试件的实测应力应变曲线在5%应变范围内差别很小，因而采用小标距试件进行循环加载试验是可行的，且使用小标距试件可避免试件在循环拉压试验中受压失稳.

2）对比了单调拉伸试验得到的名义应力应变曲线和真实应力应变曲线，结果表明在名义应变小于0.05时，真实应力和名义应力之间的最大差别为5.25%，因此，当应变小于0.05时，可以采用名义应力应变关系分析试件的滞回性能.

3）循环加载会降低试件的断后伸长率；在等幅交替和等幅循环加载方式下，试件延伸率下降最为严重；而在循环拉伸加载方式下，试件延伸率下降较小.

4）循环拉伸加载方式下，试件的骨架曲线基本和单调拉伸试验曲线重合；而在等幅交替和等幅循環加载方式下，试件的骨架曲线在塑性段明显高于单调拉伸试验曲线.

5）试验结果表明6082T6和7020T6这两种牌号的铝合金材料具有一定的耗能能力和延性，且7020T6铝合金的耗能能力和延性弱于6082T6铝合金.

参考文献

[1]沈祖炎，郭小农，李元齐.铝合金结构研究现状简述[J].建筑结构学报，2007，28（6）：100-109.

SHEN Z Y，GUO X N，LI Y Q.Stateofthearts of research on aluminum alloy structures[J].Journal of Building Structures，2007，28（6）：100-109.（In Chinese）

[2]杨联萍，韦申，张其林.铝合金空间网格结构研究现状及关键问题[J].建筑结构学报，2013，34（2）：1-19.

YANG L P，WEI S，ZHANG Q L.Aluminum reticulated spatial structures： state of the art and key issues[J].Journal of Building Structures，2013，34（2）：1-19.（In Chinese）

[3]GUO X，ZHU S，LIU X，et al.Study on outofplane flexural behavior of aluminum alloy gusset joints at elevated temperatures[J].ThinWalled Structures，2018，123：452-466.

[4]ZHU S，GUO X，LIU X，et al.The inplane effective length of members in aluminum alloy reticulated shell with gusset joints[J].ThinWalled Structures，2018，123：483-491.

[5]郭小农，熊哲，罗永峰，等.铝合金板式节点面外初始弯曲刚度的杆件间交互影响[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（3）：36-42.

GUO X N，XIONG Z，LUO Y F，et al.The outofplane initial bending stiffness interaction of members on the aluminum alloy gusset joint[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2015，42（3）：36-42.（In Chinese）

[6]郭小农，邱丽秋，罗永峰，等.铝合金板式节点受弯承载力试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版）， 2014，41（4）：47-53.

GUO X N，QIU L Q，LUO Y F，et al.Experimental research on the bending capacity of aluminum alloy gusset joints[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2014，41（4）：47-53.（In Chinese）

[7]郭小农，王丽，相阳，等.铝合金板式节点网壳阻尼特性试验研究[J].振动与冲击，2016，35（18）：34-39.

GUO X N，WANG L，XIANG Y，et al.Experimental study on the damping property of aluminum alloy latticed shells with gusset joints[J].Journal of Vibration & Shock，2016，35（18）：34-39.（In Chinese）

[8]郭小农，高志朋，朱劭骏，等.国产结构用铝合金高温力学性能试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版）， 2018，45（7）：20-28.

GUO X N， GAO Z P， ZHU S J，et al. Experimental research on mechanical property of aluminum alloy at elevated temperatures[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2018，45（7）：20-28.（In Chinese）

[9]RAMBERG W，OSGOOD W R.Description of stressstrain curves by three parameters TN902[R].Washington DC：National Advisory Committee for Aeronautics， 1943：1-13.

[10]MAZZOLANI F M.Aluminum alloy structures[M].Boston：Pitman Advanced， 1985：25-31.

[11]郭小農，沈祖炎，李元齐，等.国产结构用铝合金材料本构关系及物理力学性能研究[J].建筑结构学报，2007，28（6）：110-117.

GUO X N，SHEN Z Y，LI Y Q，et al.Stressstrain relationship and physicalmechanical properties of domestic structural aluminum alloy[J].Journal of Building Structures，2007，28（6）：110-117.（In Chinese）

[12]HOPPERSTAD O S，LANGSETH M，REMSETH S.Cyclic stressstrain behaviour of alloy AA6060， part I： uniaxial experiments and modelling[J].International Journal of Plasticity，1995，11（6）：725-739.

[13]MATTEIS G D， BRANDO G，MAZZOLANI F M.Pure aluminium： an innovative material for structural applications in seismic engineering[J].Construction & Building Materials，2012，26（1）：677-686.

[14]DUSICKA P，TINKER J.Global restraint in ultralightweight bucklingrestrained braces[J].Journal of Composites for Construction，2013，17（1）：139-150.

[15]GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2010： 9-11.

GB/T 228.1-2010 Metallic materials： tensile testing： part 1： method of test at room temperature[S].Beijing： China Standard Press，2010：9-11.（In Chinese）

[16]GB/T 15248-2008 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法[S].北京：中国标准出版社， 2008：7-8.

GB/T 15248-2008 The test method for axial loading constantamplitude lowcycle fatigue of metallic materials[S]. Beijing： China Standard Press，2008：7-8.（In Chinese）