谢东洋， 陈爱军， 董亚伟

（南京理工大学 理学院，南京210094）

0 引 言

材料受到非对称应力循环载荷时会产生塑性变形的循环累积，这种现象称为棘轮效应。工程实际问题中的构件产生棘轮效应，会导致疲劳寿命减少，甚至会导致构件的变形超限而提前报废，这是构件的寿命评估和结构可靠性分析必须考虑的因素。要解决这项难题，必须要系统地研究材料的循环变形，探究材料应变控制循环的相关特性和应力控制循环的棘轮行为，进而建立相关的循环塑性本构模型去准确预测棘轮变形。近30年来，为了探索金属材料的棘轮行为，学者们开展了大批实验研究和各类本构模型研究，使棘轮行为的研究得到了发展[1-3]。目前，对棘轮效应的实验研究主要有以下几类：在应力状态方面，分为单轴棘轮效应实验和多轴棘轮效应实验；在应力水平方面，通过改变平均应力和应力幅值，研究应力水平对棘轮效应的影响；在温度方面，在不同的温度[4]下开展了大量的棘轮效应实验；在材料方面，对各类金属、合金[5]及复合材料[6]等开展了大量的棘轮效应实验；此外，还在腐蚀环境[7]、蠕变[8]、时间相关性[9]等方面开展了棘轮效应实验。在棘轮效应相关实验中，平均应力和应力幅值是影响材料棘轮行为的主要因素[10]之一，大部分实验的开展均是通过控制平均应力和应力幅值加载条件，来讨论材料的棘轮行为。然而关于材料的应变循环特性和棘轮行为受加载历史影响的研究比较缺乏，并且对非室温环境下材料棘轮行为的研究也不够深入，对于全面揭示材料棘轮行为来说，这些方面仍然需要大力发展。因此，本文对6061铝合金分别进行室温与150 ℃的单轴应变循环加载和单轴非对称应力循环加载实验，探究了6061铝合金在室温与150 ℃下分别具有怎样的单轴应变循环特性和单轴棘轮行为，同时也为今后关于塑性循环本构模型方面的理论研究工作提供实验参考。

1 实验条件

实验材料为6061铝合金棒材，机械加工前，首先对6061铝合金进行T6热处理，即6061铝合金先经535 ℃保温6 h，后经90 ℃的水中淬火至少5 min，再经165 ℃低温炉时效4 h。6061铝合金经过T6热处理后进行机械加工，试样形状为单轴实心圆棒，其尺寸如图1所示。室温实验试样标距段的长度为18 mm，标距段的直径为6 mm；150℃实验试样标距段的长度为30 mm，标距段的直径为10 mm。6061铝合金的主要化学成分如表1所示。

表1 6061铝合金的化学成分质量分数 %

图1 单轴实心圆棒的6061铝合金试样尺寸

实验设备采用MTS809-25kN电液伺服试验机，其控制系统为TestStar控制器。计算机操作系统为Window NT，使用TestWare/SX作为MTS应用软件。采用MTS653系统作为高温发生与控制设备，轴向均温区范围为50 mm，在均温区范围以内的温度梯度为±5 ℃，温度控制精度为±1℃。采用单轴应变引伸计进行常温应变的测量，标距为5 mm，采用高温应变引伸计进行高温应变的测量，标距为25 mm，MTS载荷传感器及应变引伸计的测量精度均为0.5级。通过控制系统对加载实验进行参数控制和数据采集。在没有特别指出时，本文应变控制循环实验中：应变率即控制应变改变的速率均为2×10-3/s；非对称应力控制循环实验中，应力率即控制应力改变的速率均为100 MPa/s。本文中，σa代表响应应力幅值，定义为σa=（σmax+σmin）/2，棘轮应变用εr表示，定义为εr=（εmax+εmin）/2。其中：σmax、σmin分别表示在实验每一周循环中数据采集到的最大、最小的轴向应力；εmax、εmin分别表示在实验每一周循环中数据采集到的最大、最小的轴向应变。此外，在循环实验中，棘轮应变率表示后一周循环相比于前一周循环时棘轮应变εr的改变量，定义为dεr/dN。

2 室温与150 ℃的力学性能

为了解T6热处理后6061铝合金的基本力学性能，并为后续的循环变形实验制定合理的应力/应变工况提供参考的单拉曲线，首先在室温下对6061铝合金进行了单轴拉伸实验。图2（a）给出了6061铝合金在不同应变率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的单轴拉伸曲线，图2（b）给出了6061铝合金在变应变率（每拉伸0.02的应变时改变一次应变率，应变率改变顺序为4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）下的单轴拉伸曲线。从图中可以看出，6061铝合金没有明显的屈服平台，不同应变率下材料的应力应变响应曲线有所不同。这说明6061铝合金在室温下体现出一定的应变率敏感性，应变率低时材料响应应力较高。

图2 室温环境6061铝合金的单轴拉伸曲线

为了与室温下材料的力学性能进行比对，进而在150℃下对6061铝合金进行了单轴拉伸实验。图3（a）给出了150 ℃下不同应变率（2×10-3/s、4×10-4/s）下的单轴拉伸曲线，图3（b）给出了150 ℃下变应变率（每拉伸0.02的应变时改变一次应变率，应变率改变顺序为4×10-4/s→2×10-3/s→1×10-2/s→2×10-3/s）的单轴拉伸曲线。从图中可以看出，6061铝合金在150 ℃时也体现了一定的应变率敏感性，但是150 ℃下应变率高的材料应力响应略大，这与常温时的特性截然相反。如图3（b）所示，当应变从约0.06增到约0.08时，材料出现了失稳变形，这是因为此时的材料变形开始形成颈缩而使面积减小。

图3 150 ℃环境6061铝合金的单轴拉伸曲线

3 室温与150 ℃的单轴应变循环特性

为了揭示6061铝合金的单轴应变循环特性，在室温和150 ℃下分别开展了两类单轴应变控制循环实验：1）平均应变恒定，改变应变幅值的多级加载实验；2）应变幅值恒定，改变平均应变的多级加载实验。

3.1 两种温度下应变幅值的影响

为讨论应变幅值对材料循环变形行为的影响，通过改变应变幅值，在室温和150 ℃下分别开展了单轴应变控制循环的多级加载实验研究。图4给出了室温下平均应变为0，应变幅值历史为①±0.6%（100 c）→②±0.8%（100 c）→③±0.6%（50 c）的单轴应变控制循环多级加载实验结果（c表示循环周次，下同）。图5给出了150 ℃下平均应变为0，应变幅值历史为①±0.4%（100 c）→②±0.6%（100 c）→③±0.4%（50 c）的单轴应变控制循环多级加载实验结果。从图4可以看出，室温条件，在加载工况①下，材料的响应应力幅值随着循环周次的累积趋于稳定。当应变幅值从0.6%增加到0.8%时，材料的响应应力幅值增大，循环几周后，材料的响应应力幅值随着循环周次的累积迅速趋于稳定。此时稳定后的响应应力幅值大于先前0.6%循环时稳定后的响应应力幅值，这表明在室温条件下，材料的响应应力幅值受到应变幅值大小的影响。当应变幅值从0.8%减小到0.6%时，材料的响应应力幅值减小，同时材料的响应应力幅值随着循环的进行持续地减小，说明先前较大应变幅值（±0.8%）循环加载对后续较小应变幅值的循环产生了较为明显的影响，材料表现出明显的循环软化特性。从图5可以看出，150 ℃条件，在应变幅值很小（0.4%）时，在前几周循环中6061铝合金的响应应力幅值随着循环的进行而增大，后续循环中材料的响应应力幅值趋于稳定。当应变幅值增加到0.6%时，材料的响应应力幅值增大，而后材料的响应应力幅值随着循环的进行迅速趋于稳定。因此，6061铝合金在150 ℃的应变循环依赖于应变幅值的大小。当应变幅值从0.6%降到0.4%时，材料的响应应力幅值明显下降，在后续循环中，材料的响应应力幅值随着循环的进行不断增大，说明6061铝合金在150℃下的循环变形受到先前较大应变幅值（0.6%）循环加载的影响，材料表现出循环硬化特性。对比图4和图5，室温和150 ℃条件下改变应变幅值的单轴应变控制循环多级加载实验中可以看出，相同点在于，材料的响应应力幅值在两种温度下均随着应变幅值的增加而增大，且均受到较大应变幅值加载历史的影响；而不同点在于，材料受到较大应变幅值加载后，室温下材料表现出循环软化特性，而150 ℃下材料表现出循环硬化特性。实验表明，6061铝合金在室温和150 ℃的响应应力幅值受到应变幅值大小及其加载历史的显著影响。

图4 室温条件下应变幅值加载历史的响应应力幅值演化曲线

图5 150 ℃条件下应变幅值加载历史的响应应力幅值演化曲线

3.2 两种温度下平均应变的影响

为讨论平均应变对材料循环变形行为的影响，通过改变平均应变，在室温和150 ℃下分别开展了单轴应变控制循环的多级加载实验研究。图6给出了室温条件下应变幅值恒定为±0.6%，改变平均应变的应变控制循环多级加载实验结果。加载工况如下：①±0.6%（100 c）→②1%±0.6%（100 c）→③±0.6%（50 c）。图7给出了150 ℃下应变幅值恒定为±0.7%，改变平均应变的应变控制循环多级加载实验结果。加载工况如下：①±0.7%（100 c）→②1±0.7%（100 c）。由图6可知，室温条件，对比加载工况③和加载工况①可以看出，经过较大平均应变循环（加载工况②）后，加载工况③的响应应力幅值高于加载工况①的响应应力幅值，说明后续较小平均应变（加载工况③）的循环受到了先前较大平均应变（加载工况②）的循环的影响。从图7 可以看出，150 ℃条件，在加载工况①时，材料的响应应力幅值随着循环的进行趋于稳定。当平均应变从0增加到1%时，在循环前期，材料的响应应力幅值仍然随着循环的进行趋于稳定，然而，当约170周循环后，材料的响应应力幅值开始迅速减小。实验表明，6061铝合金在室温和150 ℃的响应应力幅值受到平均应变及其加载历史的一定程度的影响。

图6 室温条件下平均应变加载历史的响应应力幅值演化曲线

图7 150 ℃条件下平均应变加载历史的响应应力幅值演化曲线

4 室温与150 ℃的单轴棘轮行为

4.1 室温下应力水平大小的影响

为了揭示应力水平大小对6061铝合金单轴棘轮行为的影响，在室温下对6061铝合金进行两类单轴非对称应力控制循环加载实验。1）平均应力恒定，改变应力幅值的循环加载实验；2）应力幅值恒定，改变平均应力的循环加载实验。

为讨论应力幅值对6061铝合金棘轮行为的影响，在平均应力恒定的情形下，改变应力幅值，在室温下对6061铝合金材料进行了单轴非对称应力控制循环实验。加载工况如下：①(40±320) MPa（1000 c）；②(40±330) MPa（1000 c）；③(40±340) MPa（1000 c），棘轮应变和棘轮应变率随循环周次的演化曲线如图8所示。由图8可以看出，室温条件，材料的棘轮应变在前十几个循环周次内增长较快，在后续循环中，材料的棘轮应变随着循环周次的增加而趋于稳定；前几周循环中，材料的棘轮应变率迅速下降，后续循环基本保持不变。实验表明，室温下应力幅值大小对6061铝合金材料的棘轮效应产生了显著的影响，当平均应力保持恒定，6061铝合金材料的棘轮应变随应力幅值的增加而增大。

图8 平均应力40 MPa不同应力幅值的棘轮应变和棘轮应变率的演化

为讨论平均应力对6061铝合金棘轮行为的影响，在应力幅值恒定的情形下，改变平均应力，在室温下对6061 铝合金材料进行了单轴非对称应力控制循环实验。加载工况如下：①(40±320)MPa（1000 c）；②(50±320) MPa（1000 c）；③(60 ±320) MPa（1000 c），棘轮应变和棘轮应变率随循环周次的演化曲线如图9所示。从图9可以看出，室温下平均应力大小对6061铝合金材料的棘轮效应产生了显著的影响，当应力幅值保持恒定，6061铝合金材料的棘轮应变随平均应力的增加而增大。

从实验结果可以看出，室温条件下，6061铝合金的棘轮应变随着应力幅值和平均应力的增大而增大，此结论与镁合金[11]的实验结果是一致的。

4.2 两种温度下应力幅值加载历史的影响

为了揭示应力幅值加载历史对6061铝合金单轴棘轮行为的影响，在室温与150 ℃分别进行了平均应力恒定、应力幅值改变的单轴非对称应力控制循环多级加载实验。

平均应力恒定为20 MPa，改变应力幅值，在室温下进行了如下工况的非对称应力循环多级加载实验：①(20±340) MPa（200 c）→②(20±350) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），实验结果如图10所示。恒定平均应力为30 MPa，改变应力幅值，在150 ℃下进行了非对称应力循环加载实验：①(30±300) MPa（100 c）→②(30±310) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），实验结果如图11所示。从图10中可以看出，室温条件下在加载工况①时，棘轮应变随着循环周次的增加而不断增大。当应力幅值从340 MPa增加到350 MPa时，棘轮应变增大，并随着循环周次的增加线性增长。保持平均应力不变，减小应力幅值到340 MPa时，棘轮应变仍然增大。比较加载工况①和加载工况③，加载的应力水平均为(20±340) MPa，然而在经过较大的应力幅值（加载工况②）的循环加载之后，在后续应力幅值循环（加载工况③）时的棘轮应变比没有经过较大应力幅值循环（加载工况①）的棘轮应变要大。从图11中可以看出，6061铝合金在150 ℃时的演化规律同室温下的演化规律类似。然而与室温下不同的是，150℃条件下在加载工况②时，材料的棘轮应变随循环的进行在增大，然而增大的速率在降低，即棘轮应变率随循环周次的增加在逐渐减小。当应力幅值从310 MPa减小到300 MPa时，材料的棘轮应变率几乎为零，材料的棘轮应变趋于稳定。当经历了较大的应力幅值循环（加载工况②）后，后续应力幅值循环（加载工况③）的棘轮应变相比于没有经历较大应力幅值循环（加载工况①）时的棘轮应变要大，后续应力循环受到先前较大应力幅值循环的显著影响。实验结果表明，6061铝合金材料在室温和150 ℃环境的单轴棘轮行为均依赖于应力幅值大小及其加载历史。

图9 应力幅值320MPa不同平均应力的棘轮应变和棘轮应变率的演化

4.3 两种温度下平均应力加载历史的影响

为了揭示平均应力加载历史对6061铝合金单轴棘轮行为的影响，在室温与150 ℃分别进行了应力幅值恒定，平均应力改变的单轴非对称应力控制循环多级加载实验。

图10 室温条件下应力幅值加载历史的棘轮应变演化曲线

图11 150 ℃条件下应力幅值加载历史的棘轮应变演化曲线

恒定应力幅值340 MPa，改变平均应力，在室温下进行了如下工况的非对称应力循环多级加载实验：①(20±340) MPa（200 c）→②(30±340) MPa（200 c）→③(20±340)MPa（100 c），实验结果如图12所示。恒定应力幅值300 MPa，改变平均应力，在150 ℃下进行了非对称应力循环加载实验：①(30±300) MPa（100 c）→②(40±300) MPa（100 c）→③(30±300) MPa（100 c），实验结果如图13所示。由图12可知，室温条件，在加载工况①时，棘轮应变随着循环周次的增加而不断增大。当平均应力从20 MPa增 加 到 30 MPa时，棘轮应变和棘轮应变率均增大，而棘轮应变率在加载工况②的后续循环中逐渐减小。保持应力幅值不变，减小平均应力到20 MPa时，棘轮应变随着循环的进行趋于稳定。比较加载工况①和加载工况③，加载的应力水平均为(20±340) MPa，然而，在经过较大的平均应力（加载工况②）的循环加载之后，在后续平均应力下循环（加载工况③）时的棘轮应变比没有经过较大平均应力循环（加载工况①）的棘轮应变要大。由图13可知，6061 铝 合金在150 ℃时的棘轮行为与室温下的棘轮行为类似：棘轮应变随着循环周次的累积和平均应力的增大而增大，当经历了较大平均应力循环（加载工况②）后，后续平均应力循环（加载工况③）时的棘轮应变相比于没有经历较大平均应力循环（加载工况①）时的棘轮应变要大。实验研究表明，6061铝合金在室温和150 ℃环境的单轴棘轮行为均依赖于平均应力的大小及其加载历史。

图12 室温条件下平均应力加载历史的棘轮应变演化曲线

图13 150 ℃条件下平均应力加载历史的棘轮应变演化曲线

5 结 论

在室温和150 ℃条件下，采用6061铝合金试样，开展了单轴应变控制循环实验，探究了材料的单轴应变循环特性；开展了单轴非对称应力控制循环实验，探究了材料的单轴棘轮行为，得出了如下结论：

1）单轴拉伸实验中，在室温和150 ℃下，6061铝合金均体现了一定的应变率敏感性。不同的是，室温条件下，应变率低时，材料的响应应力较高；150 ℃条件下，应变率高时，材料的响应应力较高。

2）应变控制循环加载实验中，在室温和150 ℃下，6061铝合金的单轴应变循环特性均依赖于应变幅值大小及其加载历史；平均应变大小及其加载历史对6061铝合金的单轴应变循环特性有一定程度的影响。

3）非对称应力控制循环加载实验中，室温下6061铝合金的单轴棘轮应变随着应力幅值和平均应力的增大而增大；在室温和150 ℃下，6061铝合金的单轴棘轮行为均依赖于应力幅值、平均应力及其加载历史。