加载路径对5A06铝合金力学性能和微观组织的影响

刘莉，姜建堂，贺琼瑶，赵运强，甄良

加载路径对5A06铝合金力学性能和微观组织的影响

刘莉1，姜建堂2，贺琼瑶3，赵运强1，甄良2

（1.广东省科学院中乌焊接研究所，广州 510651；2.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨 150001；3.西南技术工程研究所，重庆 400039）

通过力学性能测试和微观组织表征等手段研究预加载方向和双向加载对5A06铝合金组织性能的影响。分别沿轧制方向（RD）和垂直于轧制方向（TD）施加预变形，然后沿RD进行拉伸试验，对比研究预加载方向对合金力学性能的影响。通过双向拉伸试验研究合金在双向加载时力学性能的变化情况；采用透射电镜观察预加载和双向加载条件下典型试样内的位错组态，分析加载路径对位错组态的影响。预加载使5A06铝合金的屈服强度提高，伸长率下降。与RD预加载相比，TD预加载对屈服强度和伸长率的影响更小，TD预加载试样的抗拉强度更高。不同预加载方向下试样的位错组态不同：预加载与二次加载方向一致会使位错沿单一方向塞积；预加载与二次加载方向垂直时会出现平行位错列交错缠结现象。双向加载时，不同加载比例下合金的应力–应变关系不同，加载比例越接近等比例双向拉伸情况，加工硬化系数越大，在等比例双轴拉伸时达到最大。在应力状态从单拉状态变化到等双拉状态的过程中，不同阶段屈服点间隔不同，在等比例双轴拉伸时达到最大，在单向拉伸时最小。对于不同加载比例的试样，其位错密度随中心区应变量的增大而增大。预加载方向会显著影响5A06铝合金的力学性能和位错组态。不同比例的双向加载会影响5A06铝合金的应力–应变关系。

5A06铝合金；预加载；双向拉伸；力学性能；微观组织

轻量化能够有效减少污染并降低碳排放量，是实现我国双碳战略的重要手段之一。铝合金因具有较高的比强度和比模量、较好的耐腐蚀性、良好的成形性能等优点被视为轻量化的首选材料[1-2]。其中，5A06铝合金是Al–Mg系防锈铝合金，属于形变强化铝合金，具有较高的强度和耐蚀性，被广泛应用于汽车、船舶及航空航天构件[2-4]。

材料在加工制备及服役过程中会承受不同方向的外力，并在相应方向产生一定的塑性应变，该应变会影响构件的服役性能，尤其会对构件的屈服抗力、疲劳性能等产生一定影响[5-6]。铝合金具有较低的成形极限，其构件的制造通常需要多步成形，初始成形工艺会对构件的后续成形和服役性能产生显著影响[7-8]。因此，研究预变形对铝合金后续加载力学性能和微观组织的影响尤为重要。以往的研究主要集中在轴向预加载对试样力学性能的影响[9-11]，而关于预加载方向对后续加载力学性能影响的研究相对较少，相应的微观组织演变机制也尚不清楚。文献[12-13]指出，加载方向会对材料内部位错的运动和塞积等产生影响，因此急需研究预加载方向对5A06铝合金力学性能和微观组织的影响。在实际生产过程中，铝合金薄板或薄壳结构多是双向或多向受力构件。单向拉伸试验获得的应力–应变以及组织性能关系不能反映材料在双向和多向受力状态下的变形行为[14-16]。双向拉伸可提供一种介于单向加载和多向加载之间的过渡状态，是研究材料在复杂加载条件下组织性能演变的基础。因此，文中主要通过不同方向预加载和双向拉伸试验研究加载路径对5A06铝合金力学性能和微观组织的影响规律及机理，为铝合金构件成形工艺设计和服役性能预测提供理论基础，以期指导铝合金构件的工业生产。

1 试验

试验采用2 mm厚的5A06铝合金薄板，其实际成分如表1所示。试验研究了轧制方向（RD）和垂直于轧制方向（TD）预加载对后续加载过程中5A06铝合金力学性能的影响。其中，RD预加载试样为单向拉伸试样，试样尺寸如图1所示。TD预加载通过宽板拉伸实现。宽板拉伸取样示意图如图2所示，试样尺寸为130 mm×60 mm×2 mm，标距为80 mm，加载速度为1 mm/min。沿RD预加载后再沿RD拉伸的试样记为RD–RD，沿TD预加载后再沿RD拉伸的试样记为TD–RD。采用Zwick/Roell电子万能试验机进行拉伸试验，对相同状态样品重复测试3次，结果取平均值。双向拉伸试验采用十字形试样，试样尺寸如图3所示。为了保证试样中心区受力均匀，采用激光加工技术在十字臂上加工出宽度为0.2 mm、长度为82 mm的窄缝。在试验过程中，通过控制双臂的加载比例和加载速率来实现不同条件下的双向拉伸试验。试样中心区应变的测量区域为50 mm×50 mm。在变形过程中，由夹持在试样2个方向的引伸计测量中心区的应变，引伸计的标距为50 mm。试验时，拉伸速率为6 mm/min。沿RD和TD施加载荷的比例分别为4︰0、4︰1、4︰2、4︰3、4︰4、3︰4、2︰4、1︰4，其中4︰0相当于沿RD单向拉伸，4︰4相当于在2个方向等载荷拉伸，也称为等双拉，其余加载比例介于两者之间。

采用JEOL 2100型透射电子显微镜对不同加载路径下典型试样的位错组态进行观察，加速电压为200 kV。首先利用线切割机在试样上切取尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm的薄片，试样经酒精冷却后用320#水砂纸粗磨至100mm左右，再分别用400#、600#、800#金相砂纸细磨至60～80 μm，随后冲压成直径为3 mm的圆片，然后用电解双喷减薄仪减薄。电解液为体积分数30%的硝酸和70%甲醇的混合溶液，电压为12～15 V，电流为75～100 mA，电解液温度约为−28 ℃。

表1 5A06铝合金的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 5A06 aluminum alloy wt.%

图1 单向拉伸试样尺寸图（mm）

图2 宽板拉伸试样上的取样位置示意图

图3 双向拉伸试样尺寸图

2 结果与分析

2.1 预加载方向对力学性能的影响

图4为预加载方向和预变形量对5A06铝合金二次加载时合金力学性能的影响。如图4a所示，RD和TD预加载均可提升合金的屈服强度，且RD预加载试样的屈服强度提升幅度更为显著，TD–RD和RD– RD试样的屈服强度均随预变形量的增加而增加。屈服强度的提升与加工硬化密切相关，预加载试样中的位错易在溶质原子和第二相附近塞积，因此二次加载时需要更大的应力才可以驱动位错滑动、产生加工硬化效果，导致材料的屈服强度升高。同时，随着预变形量的增加，位错塞积现象越加明显，屈服强度也随之增加。图4b为合金抗拉强度随预变形量变化的曲线。可知，预加载方向和预变形量对抗拉强度的影响较小，TD–RD试样的抗拉强度略高于RD–RD试样的。图4c是伸长率随预变形量变化的曲线。可知，预加载导致合金伸长率降低，但TD–RD试样的伸长率下降幅度小于RD–RD试样的。上述结果表明，通过合理设计材料在多步成形过程中的加载方向，可显著增强材料的塑性成形能力，进而提升成形质量。同时，材料的抗拉强度也略有提高，这有利于提升材料的后续服役性能。

2.2 不同方向预加载对微观组织的影响

图6是在RD–RD和TD–RD这2种加载方式下试样的透射电镜照片。可知，2种试样的位错密度均明显高于仅预加载试样的。RD–RD试样内位错相互缠结，多处可见明显的位错胞状结构，这主要与高密度位错间的相互堆积有关[17]。而在TD–RD试样中未见明显的位错胞状组织，取而代之的是细而密的“线条”状位错相互堆积，且有多组相互平行的位错列交错缠结的位错网。图7为2种加载方式下试样位错组态的放大图。可知，RD–RD试样中位错线基本沿同一方向分布，在局部区域可观察到平行的位错列；而在TD–RD试样中则观察到了明显的位错交错缠结现象，形成2个方向近似垂直的平行位错列交错形成的位错网格，这与2次加载的方向相互垂直有关。由此可见，当加载方向不同时，会出现明显的位错缠结和交叉滑移的现象。

图5 5A06铝合金沿RD和TD预加载试样的透射电镜照片

材料的力学性能与位错几何形态、位错间的相互作用、位错和溶质原子间的相互作用等密切相关[17]。一方面，外力作用使晶体内部位错发生运动，导致材料发生宏观塑性变形[18-19]；另一方面，位错间的作用力也会影响位错的运动[20-22]。因此，外力的加载方向以及材料内部位错间的相互作用力均会影响材料的变形行为和力学性能。如前所述，预加载方向会显著影响合金的力学性能，这与材料内部位错在不同加载下的运动方式有关。对于预加载试样，位错受外力的作用会在晶界、夹杂相和第二相等位置处塞积[9,23]。当二次加载方向与预加载方向相同时，位错塞积导致需要更大的外力才能使位错运动，因此材料的屈服强度提升。当二次加载方向与预加载方向垂直时，二次加载方向上无位错塞积的影响，而在与之垂直的方向上存在位错塞积，因而位错呈现交错塞积形貌，此时位错运动所需的应力比无预加载试样位错运动所需的应力更大，但比预加载和二次加载方向相同的试样位错运动所需的应力小，因此试样的屈服强度提升，但提升幅度小于预加载与二次加载方向相同的试样的。材料的抗拉强度与位错密度密切相关。TD–RD试样的高抗拉强度来源于材料内部的高位错密度。当预加载方向和二次加载方向不同时，在各个方向上均有位错塞积，进而导致应力集中并诱发位错增殖[24]，位错塞积的范围越广，位错增殖的可能性越大，导致试样内位错密度显著增大。同时，RD预加载试样的位错塞积会导致更为集中的局部应力，使材料提前失效断裂；TD预加载试样的位错塞积程度和应力集中程度相对较小，材料的伸长率更高。

图6 5A06铝合金沿不同方向预加载后轴向单拉至断裂试样的透射电镜照片

图7 不同方向预加载后轴向单拉至断裂试样内位错组态的放大图

2.3 双向加载力学性能与微观组织

图8为不同加载比例双向拉伸下5A06铝合金RD和TD的应力–应变曲线。可以看出，在臂上开缝的十字形双拉试验方案下，5A06铝合金试样在中心区的变形量不大。在所有加载路径下的应力–应变曲线中，单方向上最大的等效塑性应变约7%。RD和TD的应力–应变曲线的变化规律均为加载比例越接近等比例双向拉伸状态，材料的强化效应越大，在等比例双向拉伸时达到最大。

图8 5A06铝合金双向拉伸时RD和TD的应力–应变曲线

将不同加载路径下的应力–应变曲线等效为单向拉伸曲线，根据塑性变形功相等的原则，得到与单向拉伸时的塑性变形功相等的双向拉伸的塑性变形功，以确定不同塑性变形阶段双向拉伸区域的试验屈服点[25]。计算公式如式（1）所示。

式中：表示塑性变形功；0表示单向拉伸的最大应变；表示单向拉伸时的应力；RD和TD分别为RD和TD方向的拉伸应力；RD和TD分别表示RD和TD方向的拉伸应变。

结合式（1）并通过进一步计算确定试验屈服点。板材的屈服轨迹对实际成形过程中成形工艺的设计具有指导作用。

5A06铝合金板材等效塑性应变分别为0.2%、1%、2%、3%时双拉区的试验屈服轨迹如图9所示。其中1为RD的屈服应力，2为TD的屈服应力。可知，5A06铝合金板材在不同阶段的试验屈服轨迹形状为外凸形，在应力状态由单向拉伸状态到等双拉状态的变化过程中，不同变形阶段屈服点的间隔不同，在等双拉时间隔达到最大，在单向拉伸时间隔最小。随着变形量的增加，屈服轨迹逐渐向外扩大，单向拉伸时强化程度最小，等双拉时强化程度最大。由此可知，在等双拉变形条件下，材料在更大的等效应变条件下才能发生屈服，这有利于板材成形。另外，以等双拉为界的上下两部分屈服轨迹不对称，相同应变条件下RD的屈服应力大于TD的屈服应力，这主要是由板材面内各向异性引起的。

图9 5A06铝合金板材常温下的试验屈服轨迹

简化的等效应变公式如式（2）所示。

式中：e为等效应变；1为主应变；2为次应变。采用式（2）对不同加载比例下材料中心区的等效应变进行计算，得到近似等效应变如表2所示。可以看出，不同加载比例试样的等效应变差别较大，单向拉伸时的等效应变最大，双向拉伸时材料的变形量小于单向拉伸试样时的材料变形量，当加载比例接近等双拉状态时，等效应变略有降低，但是差别不大。

表2 5A06铝合金双向拉伸不同加载比例试样中心区等效应变

Tab.2 Equivalent strains in the central area of 5A06 aluminum alloy under different loading ratios during biaxial tension

在不同加载比例的双向拉伸过程中，5A06铝合金的屈服应力、中心区的等效应变均不同。在文中的变形方式下，5A06铝合金塑性变形的差异主要是由位错运动引起的。对双向拉伸典型试样中心变形区进行透射电镜观察，加载比例为4︰3的双拉试样的中心区透射电镜照片如图10所示。可以看到，试样中有明显的位错缠结交错的现象，这和预加载与二次加载方向不同的试样相似。

图10 5A06铝合金加载比例为4︰3的双向拉伸试样的透射电镜照片

3 结论

1）当采用RD和TD预加载时，随预变形量的增加，5A06铝合金均呈屈服强度上升、伸长率下降、抗拉强度变化不大的趋势。TD–RD加载试样屈服强度上升的幅度小于RD–RD加载试样的，其伸长率下降的幅度也较小。TD–RD加载试样的抗拉强度略高于RD–RD加载试样的。

2）随着预变形量的增加，5A06铝合金内位错密度增加，位错缠结、塞积的现象更显著。预加载方向对5A06铝合金内位错组态有显著影响。当预加载方向与二次加载方向相同时，位错主要沿一个方向塞积，在试样中能观察到相互平行的位错列。当预加载方向与二次加载方向垂直时，在试样中能观察到平行的位错列交错缠结的现象。

3）当采用双向拉伸时，不同加载路径下5A06铝合金的应力–应变关系不同。随着加载比例接近等比例双向加载状态，材料加工硬化效果增强，等比例双向加载时的强化效果最佳。5A06铝合金在不同变形阶段的试验屈服轨迹是外凸的，屈服轨迹随变形程度的增加而向外扩大。在应力状态从单向拉伸状态到等比例双轴拉伸状态的变化过程中，不同阶段屈服应力间隔不同，在等比例双轴拉伸时屈服应力达到最大，在单向拉伸时屈服应力最小。对于双向拉伸试样，双向加载时试样内的位错交错缠结，这与预加载方向和二次加载方向垂直的试样相似。

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Effects of Loading Paths on Mechanical Properties and Microstructure of 5A06 Aluminum Alloy

LIU Li1, JIANG Jian-tang2, HE Qiong-yao3, ZHAO Yun-qiang1, ZHEN Liang2

(1. China-ukraine Institute of Welding, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510651, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3. Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

The work aims to study the effect of pre-loading direction and biaxial loading on the properties of 5A06 aluminum alloy through mechanics performance testing and microstructure characterization. The specimen was pre-deformed in the axial direction (rolling direction, RD) and the transverse direction (TD), and then stretched along RD to compare the effects of pre-loading direction on the mechanical properties of the alloy. The mechanical property change of the alloy under biaxial loading were studied by biaxial tensile test. The through transmission electron microscope (TEM) was used to observe the dislocation configuration in typical specimen under pre-loading and biaxial loading and analyze the effects of loading path on dislocation configuration. Results showed that pre-loading improved the yield strength of 5A06 aluminum alloy and decreased its elongation. Compared with pre-loading in RD, pre-loading in TD had less effects on the yield strength and elongation. The tensile strength of specimen with pre-loading in TD was slightly higher than that of pre-loading in RD. Specimen under different pre-loading directions had different dislocation configuration. When the pre-loading direction was the same as the subsequent loading direction, the dislocations mainly packed along one direction, while for the specimen which had different pre- and subsequent loading directions, the intertwined dislocation entanglement were observed in the specimen. The stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy under different loading paths was different. As the loading ratio approached to equal, the work hardening coefficient increased, and it was the highest when the loading was equal in two directions. As the stress state changed from single tension to equal double tension, the interval of yield point was different at different stages, the equal tension state showed the largest, and the single tension state showed the smallest. For specimen with different loading ratios, the dislocation density increased with the increase of strain in the central region. These results indicate that the pre-loading paths can significantly affect the mechanical properties and the dislocation configuration of 5A06 aluminum alloy. The results of this study can provide a theoretical basis for the forming process design and performance prediction of aluminum alloy components. Biaxial loading of different proportions will affect the stress-strain relationship of 5A06 aluminum alloy.

5A06 aluminum alloy; pre-loading; biaxial tension; mechanical property; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.003

TG146.2

A

1674-6457(2022)08-0020-08

2022–05–23

广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515110062）；广州市基础与应用基础研究基金（202201011373）；广东省科协青年科技人才培育计划（SKXRC202201）；国家重点研发计划（2020YFE0205300）

刘莉（1989—），女，博士，工程师，主要研究方向为铝合金塑性变形行为和焊接性能。

姜建堂（1978—），男，博士，教授，主要研究方向为轻金属材料的组织性能及变形断裂行为。

责任编辑：蒋红晨