新能源汽车铝合金板的冲压性能与微观组织研究

徐晶晶

(六安职业技术学院 汽车技术系,安徽 六安,237158)

随着汽车科技的发展和人们环保意识的提高,传统燃油汽车尾气对环境造成污染收到了世界各国的高度重视,新能源汽车近几年进入“快速通道”,已经受到越来越多消费者的认可,2019年,全国新能源汽车销量已超过120万辆[1-3]。相较于传统燃油汽车,新能源汽车(以电动汽车为例)中燃料电池组的重量高达数百公斤,这给新能源汽车轻量化提出了更高要求[4-5]。铝合金具有高强度、低密度、抗腐蚀的特点,是目前汽车轻量化替代钢板的主要材料[6-7]。国内学者对车用铝合金的研究主要集中在拉伸性能和微观组织上,刘军等[8]研究了6061铝合金拉伸性能并建立了本构模型,朱浩等[9]研究了6061铝合金的拉伸性能和断裂机理,马冬威等[10]研究了固溶处理工艺对6061铝合金微观组织和力学性能的影响。为了系统研究车用铝合金的拉伸性能和围观组织,本文以常用6061铝合金板为研究对象,系统研究了冲压性能和微观组织,为铝合金板在新能源汽车中广泛应用提供一定的参考。

1 实验方法和过程

1.1 实验材料

原料板材选用河南明泰铝业提供的6161铝合金板,其化学成分如表1所示。

表1 6061铝合金板化学成分 /%(w/w)

1.2 实验流程

实验试样从铝合金板上通过线切割截取,具体的工艺流程如图1所示。

(1)单向拉伸实验。单向拉伸实验是能够有效评价板材力学性能和冲压成形性能,是目前应用最为广泛的实验方法。根据国标 GB／T228-2002,取板材厚度为1 mm,通过线切割机,沿板材轧制方向成0°、45°和90°这3个方向各取3个实样,实样取向和尺寸如图2、图3所示。拉伸实验在万用力学实验机上进行,考虑到铝材对应变速率敏感,应变速率设置为10-3/s。

(2)拉深变形实验。拉深变形实验可以综合反映出材料的冲压性能。本实验采用不同直径的圆筒进行拉深变形实验,凸模直径为51.6 mm,凹模直径为49.6 mm,板厚为1 mm,模具尺寸如图4所示。

1.3 实验设备

本实验中各工序所使用的设备及型号见表2。

表2 试验设备总表一览

1.4 测试方法

断口形貌观察。采用扫描电子显微镜进行断口形貌观察。

金相显微观察。按照惯例制备试样,腐蚀液采用5%草酸溶液,腐蚀5～10 s,在金相显微镜上进行观察。

2 结果讨论

2.1 单相拉伸性能分析

试样的工程应力—应变曲线如图5所示。由图5可知,拉伸过程中曲线平滑,没有出现明显的屈服平台。由试样宏观断口和工程应力—应变曲线中可知,试样在断裂时没有发生明显的缩颈现象,为脆性断裂,说明断口处裂纹一旦产生就会迅速扩张直至断裂,试样对应力集中极度敏感。试样的真实应力—应变曲线如图6所示,其变化规律和工程应力—应变曲线基本相同,没有明显的屈服现象。

通过单向拉伸实验结果,计算出0°、45°和90°这3个方向试样拉伸性能参数,如表3所示。试样单向拉伸试样断口形貌如图7所示。从断口来看,断裂方式主要为韧窝开裂,韧窝不深,尺寸较小,大韧窝尺寸在13 μm左右,在大韧窝之间分布了大小不一的小韧窝,且小韧窝几乎都是等轴韧窝,可见微观断裂过程中是以孔洞形核,逐渐长大、聚集导致断裂。

表3 试样拉伸性能参数 /MPa

试样拉伸前后的金相照片如图8所示。拉伸前,试样内破碎化合物沿着轧制方向排列,晶粒变形方向也是受轧制方向影响。拉伸后,晶粒畸变严重沿着断裂方向拉长,有明显沿晶和穿晶裂纹。

2.2 拉深性能分析

圆筒试样进行拉深实验断裂前后照片如图9所示。圆筒直径为49.6 mm,测得试样在直径为73 mm时拉裂。

圆筒式样拉深断口形貌如图10所示。断口上分布有韧窝,同时也有明显的河流状断裂纹,可见断裂形式为韧窝断裂和解理断裂相结合。

拉深实验后,圆筒试样在圆角部分和筒壁部分相对于圆筒底部,晶粒发生了较大变形,明显被拉长,其中圆角部分的变形程度要大于筒壁部分,经拉深实验后其变形程度由小到大依次为圆筒底部、筒壁部分、圆角部分,如图11所示。

3 小结

(1)6061铝合金材料在拉伸变形中没有发生明显的屈服现象,表现为脆性断裂,断口处韧窝不深,尺寸较小,大韧窝尺寸在13 μm左右,拉伸后晶粒畸变严重并沿着断裂方向拉长,有明显的沿晶和穿晶裂纹。

(2)6061铝合金材料进行拉深实验,测得试样在直径为73 mm(初始49.6 mm)时拉裂,断裂形式为韧窝断裂和解理断裂混合断裂,拉深后圆筒拉深变形程度在不同部位有差异,圆筒底部变形＜筒壁部分变形＜圆角部分变形。