车用铝合金5182_O 准静态单向拉伸试验*

徐全磊 谭必丁 陆军合

（广西艾盛创制科技有限公司）

1 准静态单向拉伸试验

汽车车身轻量化是解决节能减排问题的有效途径之一。铝合金有着密度小、比强度和比刚度高、易于成型等特点，可以给汽车提供更轻的车身质量，减少资源的消耗[1]。同时，铝合金拥有较高的工艺性能，能够保证汽车的安全碰撞要求，因此被广泛应用于汽车、轻型货车、地铁及航天航空等领域，但对其性能的研究仍然不够全面，特别是随着其他合金的不断出现，对铝合金成型性能及基础性能的要求也越来越高[2-3]。基于此，文章对进口铝板与国内铝板进行了性能差异分析。

1.1 试验目的

本次试验的试样由铝合金5182_O 制备，采用标准GB/T 4228—2005，对试样进行了 0°、45°、90°3 个方向的单向拉伸试验，观察3 个方向上铝合金的性能差异；并通过单向拉伸获得铝合金的载荷位移关系曲线图，求出应力应变曲线，分析提取后得到材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率及厚向异性指数，对比进口铝板与国内铝板的性能差异。

1.2 试样制备

试验采用进口铝板与国内铝板对比的形式展开分析，先用激光切割机将铝板切割出规定尺寸的试样，如图1 所示。试样试验区域长度为75 mm，宽度为12.5 mm，厚度为1.2 mm。

图1 铝板试样尺寸

将进口铝板试样编号为 1 组：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。其中 1-1、1-2 与轧制方向成 0°；1-3 与轧制方向成 45°；1-4、1-5 与轧制方向成 90°。

将国内铝板试样编号为 2 组：2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。方向与1 组相同。

1.3 试验操作

准静态单向拉伸试验在温室环境下（10～35 ℃）进行，将试样及夹头安装在INSTRON 3382 型号拉力机上，在试验开始之前，需要注意以下2 点，尽量减少操作的误差，保证数据的准确性：

1）固定试样时，要使试样的长度方向与拉伸方向尽量保持一致，若偏离了拉伸方向，试验结果所得数据将不准确；

2）在固定试样的过程中，夹紧块的攒动会造成试样内部存在一个初始的拉伸应力或挤压应力，这也会造成试验数据的不准确，需要对夹紧装置的初始位置进行微调，使试样内应力趋近于0 时，将试验数据清零，再进行试验。

装夹好试样并按照上述2 个步骤清零数据后开始测试，以2 mm/min 的速度匀速拉伸，得到试样拉伸断裂结果，并且10 组数据全部测试完毕，如图2 所示[4]。

图2 铝板材料拉伸断裂结果

2 应力应变曲线及材料力学性能参数确定

2.1 载荷位移曲线

分别将2 种编号的材料拉伸至发生断裂后，测量出断裂时试验区域的长度值，如表1 所示。

表1 铝板断裂时试验区域长度的测量结果 mm

通过准静态拉伸试验获得2 组试样的载荷与位移关系曲线，如图3 所示。从1 组的数据中可看出，试样所能承受的载荷在4 570～4 590 N，而2 组的试样所能承受的载荷在4 229～4 300 N。由此可知，进口铝板承受拉伸力的能力要略微优于国内铝板。

图3 准静态单向拉伸试验中铝板试样的载荷-位移关系曲线

2.2 应力应变曲线

将测量得到的载荷与位移关系曲线，转换成工程应力应变曲线。工程应力应变曲线并未真实地反映出材料随应变变化的关系，因而需要将工程应力应变曲线转化成真实应力应变曲线。

工程应力应变转化成真实应力应变的依据，如式（1）～ 式（4）所示。

式中：e——工程应变；

ΔL——试样长度的增量，mm；

L0——试样的初始长度，mm；

ε——真实应变；

Li——试样拉伸后的长度，mm；

σeng——工程应力，MPa；

F——当前拉伸力，N；

A0——初始断面积，m2；

σ——真实应力，MPa；

A——当前断面积，m2。

假设：在拉伸力达到最大之前，试样中间段的变形是均匀一致的，不考虑操作人员的操作误差，则：

综上，求出试验数据后，得到应力-应变曲线图，如图4 所示。根据1 组的数据可以求出，材料的屈服点在150 MPa 左右，超过该值后材料发生塑性变形，抗拉强度在300 MPa 左右；2 组数据的材料的屈服点在120 MPa 左右，抗拉强度在280 MPa 左右。由此可知，进口铝板的屈服强度及抗拉强度均略高于国内铝板。

图4 准静态单向拉伸试验中铝板试样的应力-应变曲线

2.3 材料性能参数

根据图4 提取出2 组数据的弹性模量、屈服强度、抗拉极限（抗拉强度）、延伸率及厚向异性指数，如表2所示。从图 4 和表 2 中可知，材料在 0°、45°、90°3 个方向上的单向拉伸流变应力基本保持一致，变化趋势相同；且在3 个方向上存在着一定的各向异性，其中，45°的最为明显；同时90°方向上的延伸率达到最大值，所以成型性能比较好。从测量求出的数据上看，进口铝板测量出的弹性模量、断后延伸率以及厚向异性指数都比国内铝板的数值要大，因而进口铝板的成型性能也比较好[5]。

表2 单向拉伸获得的铝板材料性能参数

3 结论

综上可以得出：1）由载荷-位移关系曲线可知，进口铝板所能承受的拉伸力在4 570～4 590 N，国内铝板所能承受的拉伸力在4 229～4 300 N。2）从2 组材料的厚向异性指数来看，进口铝板的数值较大于国内铝板，说明进口铝板抵抗变薄的能力要强于国内铝板；从0°、45°、90°3 个拉伸方向上看，材料长度方向与轧制方向成90°时，厚向异性指数最大，抵抗变薄的能力更强。3）进口铝板的屈服强度约为150 MPa，抗拉强度最大可达300 MPa；而国内铝板的屈服强度约为120 MPa，抗拉强度最大可达280 MPa。4）2 组编号材料的延伸率最大值出现在与轧制垂直的方向上，进口铝板最大延伸率为25.8%，而国内铝板的最大延伸率为26.9%，均高于0°与45°的断后延伸率，所以当拉伸方向与轧制方向成90°时，材料的成型性能较好。

基于铝合金5182_O 准静态单向拉伸试验求出的材料性能参数，还需要进行进一步的仿真和现场验证，在实际应用中不断积累经验数据和完善。对以下3 个方面，还将进一步研究：

1）对钢板和铝板的成型性能做模拟仿真分析，观察两者对零件起皱、开裂、回弹的影响；

2）对进口铝板和国内铝板的成型性能做模拟仿真分析，观察两者对零件起皱、开裂、回弹的影响；

3）现场验证：按照模拟仿真分析流程对板材进行冲压成型，观察其起皱、开裂情况，并记录回弹数据，与模拟仿真结果进行比对。