汽车覆盖件采用变形铝合金材料的研究

2018-09-06曾鹰

汽车零部件 2018年8期

曾鹰

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122 )

0 引言

汽车轻量化是节能减排的一项重要措施。据不完全统计， 2016年我国汽车保有量1.95亿辆，其中小客车超过了1.46亿辆，约占全国汽车总拥有量的75%。由此可见：解决了小客车轻量化问题，对国家节能减排有着十分重要的现实意义[1]。

当前汽车发动机的缸体、缸盖、曲轴箱、变速箱壳体等许多零部件已由黑色金属改为了密度较小的铝合金材料，但是车身、门等覆盖件仍用钢板制成。如何找到一种轻金属材料，或者再通过热处理手段，既能满足覆盖件的性能要求，又能采用原来的低成本、高效率的冷压成型工艺生产，是作者的研究目标。根据汽车覆盖件对材料的技术要求：必须同时具备高强度、高断裂韧度。因此选材、材料性能优化、时效工艺、检测手段等是作者重点研究的任务[2-6]。

1 覆盖件的安全性

把传统和现代固体力学结合起来，保证覆盖件的安全性。

(1)传统的固体力学性能指标不能完全反映材料的真实性

传统的固体力学理论是建立在微小变形、均匀连续性和各向同性3个假定的基础上，认为材料是完整无缺陷的[7]。现代科学发现金属材料微观组织实际上存在着许多缺陷，如：存在着晶内和晶间的微观缺陷、气孔、夹渣、裂纹等各种不同的缺陷。这些缺陷在工作中将会逐渐发展、扩大，随着工作时间的增长就会造成材料或结构的破坏。例如按传统固体力学的强度理论：只要载荷应力σ不超过构件的许容应力[σ]，即σ≤[σ]，就能保证结构安全工作[8-9]。许容应力是由极限强度(或屈服极限)留出一定的安全余量来确定的，即：

[σ]=σb/K或[σ]=σs/K

∴K=σb/[σ]

式中：K为安全系数。

计算越准确，σ就越接近[σ]的值，K值就越小，也就能发挥材料的潜力。按[σ]=σb/K的设计原则，材料的强度越高，对相同载荷来说就越安全。但实际上所发生的大量事故表明：材料所受载荷没有超过许容应力就产生了断裂，甚至破坏失效，所以强度高并不一定就安全。相反，有些强度高的材料，塑性和韧性一般都比较低，反而容易产生断裂。这样，高强度材料的破断就归因于韧性不足。然而韧性本来足的材料，由于外界条件的变化，如温度降低、加速度提高，在疲劳和腐蚀介质等的作用下，也会出现脆性断裂的问题。以上讨论充分地说明了传统的固体力学理论和力学性能指标是有缺陷的，不能完全反映材料的真实性。

(2)断裂力学的应用

近几十年来，科学家们对材料进行了大量的试验和研究，发现传统的固体力学存在许多缺陷。他们对原固体力学公式和力学性能指标进行了纠正和补充，建立了现代固体力学。

断裂力学是现代固体力学的重要组成部分，它主要是研究材料或构件的断裂问题。断裂力学研究表明[10]：材料在许容应力范围内的断裂与材料的缺陷、裂纹的存在、裂纹在给定条件下能否扩展和怎样扩展有关；如何扩展主要决定于裂纹尖端所能允许(应变)的最大限度。自身有裂纹的材料在外力的作用下，裂纹有可能扩展，与此同时也必然会产生一种抵抗裂纹扩展的力，这个力称为“断裂韧度”。从大量含有裂纹材料的拉断试验结果发现，所加的外力与裂纹长度的方根呈反比关系，即：

(1)

式中：σ为所加的应力(MPa)；a为裂纹长度(m)；K为应力场强度因子，它表示在给定条件下裂纹尖端抵抗裂纹扩展的能力。在没有破断前，K随σ和a的增大而增大；当σ或a增到临界值σc或ac时(要断裂还没有断裂的裂纹长度)的K值称为临界应力强度因子Kc或KΙc。这时式(1)便可写成：

(2)

(3)

就一定的材料而言，σc、ac，Kc、KΙc都是一定值：Kc和KΙc都是表示材料抵抗裂纹扩展的最大能力，所以习惯上又把它们称作断裂韧度，低于这个值就不断裂，高于这个值就断裂。Kc表示裂纹处于平面应力状态的断裂韧度，称为平面应变临界应力场强度因子；KΙc表示裂纹处于平面应变状态的断裂韧度，称为平面应变临界应力场强度因子，一般稍厚的材料都处于平面应变状态。例如：飞机等结构上厚材料用得较多，加桁条、结构架等，所以KΙc也用得较多。

断裂韧度与传统的强度、韧度参量的概念及性质完全不同：传统的强度、韧度参量指标是彼此分开的。强度指标是对材料标准试样在均匀加载下测试出来的数据，冲击韧性是对试棒用锤一次性敲断测得的，它们都是参考性对照指标。而断裂韧度(Kc、KΙc)既可以是强度指标，又可以是韧度指标。应用断裂韧度值，既可以具体地计算出构件断裂时的应力，又可以计算出允许存在的裂纹长度：a≈(KΙc/σc)2。

2 选用“ASTM E 6156”变形铝合金作汽车覆盖件的依据

从美国国家标准协会(American National Standards Institute，ANSI)编辑的有关“变形铝及变形铝合金”资料中可知：美国“ASTM E 6156”铝合金是Al-Mg-Si-Cu系可焊、可热处理强化的变形铝合金，具有较高的强度、良好的耐腐蚀性、高的损伤容限，广泛应用于航空器材的结构件，如机身腹部结构和焊接结构[11-12]。

近代工业特别是航空和宇航事业的高速发展，使铝合金薄板材料得到广泛应用[7]。要进行断裂控制，必须要知道材料的平面应力断裂韧度Kc值。如果汽车覆盖件改为变形铝合金薄板构件，同样也要用KIc数值作为设计依据，必须通过材料、工艺试验掌握材料在怎样的状态下才能获得较好的、较高的强度和韧度，使汽车更安全。

3 材料试验及热处理工艺

3.1 试验方案

实验用ASTM E 6156铝合金板材，厚度为3.6 mm(包铝)，初始状态为T4(固溶处理加自然时效)状态，化学成分如表1所示，具体热处理工艺(T4表示固溶处理加自然时效；T6表示固溶处理加人工时效)如表2所示。

表1 6156铝合金的化学成分(质量分数) %

表2 6156合金的不同时效参数

注： “时效状态”是指材料已经过固溶处理后的时效状态。

试样参照标准ASTM E561[13]设计成紧凑拉伸试样，在MTS810-100KN型试验机上进行6156铝合金板材沿轧向(L-T)和横向(T-L)的平面应力断裂韧性测试。试样厚度为B，宽度为W。试验前先参照6156铝合金板材纵向和横向的屈服强度选取预制载荷，预制1.5 mm疲劳裂纹，再用配有CCD的读数显微镜跟踪观察裂纹的扩展。由于试样很薄，加载过程中必须有防翘曲装置，通过两次加载后的p-v曲线斜率是否有分歧来检测有无翘曲。

3.2 试验结果

(1)拉伸性能及断裂韧性

表3 不同时效工艺下T-L方向6156铝合金断裂韧性试验结果

L-T取样方向的6156-T6PA态合金板材也制备了3个试样，用3个试验结果的平均值计算得到的断裂韧度值如表4所示。

表4 L-T方向6156-T6PA态合金断裂韧性试验结果

(2)KIc断口形貌及分析

断裂力学的主要任务是对材料裂纹体进行力学分析，寻求能使材料阻止裂纹扩展性能的参量——断裂韧性。平面应力断裂韧性Kc建立在线弹性断裂力学的基础上，由于材料裂纹尖端处在塑性区，为了使线弹性断裂力学的分析仍然有效，裂纹尺寸a，试样厚度B及部件尺寸W-a必须满足：B<2.5×(Kc/σs)2，2a/W约为0.35～0.50，W-a≥4/π×(Kc/σys)2[10-13]。对a的要求是为了满足线性，而对B及W-a的要求则是为了满足平面应力状态。不同取样方向和热处理工艺下的实验结果均满足断裂韧性有效性判据。

图1所示为不同时效工艺的6156合金T-L取向的断裂韧性在过载区的断口形貌。

图1 不同时效工艺的6156合金T-L取向的断裂韧性之断口形貌

可以看出:6156合金属于塑性韧窝状断裂，断口以穿晶开裂为主，兼有少量的沿晶开裂;断口上韧窝的分布具有方向性，沿着挤压变形方向成串平行排列，同时韧窝沿裂纹扩展方向被拉长;T4态的韧窝的平均尺寸最大，T6过时效态的韧窝的平均尺寸最小。而3种T6人工时效态中，欠时效的韧窝的平均尺寸最大，过时效的最小，峰时效居于二者之间。韧窝平均尺寸越大，说明其显微组织的塑性越好，其断裂韧性也就越好。另外，还可以看到在韧窝底部存在第二相粒子。合金塑性变形时在这些第二相质点与基体的交界处萌生出孔洞或孔隙，产生微裂纹。裂纹扩展后导致基体从质点周围断开，最后在断口上形成大小、深度各不相同的坑状韧窝，而第二相质点就留在韧窝底部。

图2所示为T6峰时效态的6156合金在T-L和L-T取样方向上断裂韧性的断口形貌。

图2 T6峰时效态合金断裂韧性的断口形貌

可以看出:图2(a1)和图2(b1)为疲劳裂纹预制区形貌，呈现的疲劳条带间距基本相同。图2(a3)为T-L取向上的过载区形貌，其断口上韧窝排列具有明显的方向性，沿轧制方向，即L取向成串平行排列。这是由于T-L取向裂纹的扩展方向与轧制变形方向一致，裂纹沿第二相粒子的排列方向扩展，于是在断口上留下与第二相粒子排列方向一致的韧窝。由于裂纹沿轧制方向扩展的阻力小，扩展过程中吸收的能量少，所以T-L取向合金的断裂韧性较低。而当裂纹取向为L-T时，裂纹扩展方向垂直于轧制变形方向，也垂直于第二相粒子的排列方向，裂纹扩展时，需穿过一排排相互平行的第二相粒子带，因此扩展阻力大，而且裂纹容易向轧制方向(阻力小的方向)偏折。图2(b3)为L-T取向上的过载区形貌，其断口上韧窝排列没有明显的方向性，断口上穿晶开裂的比例大，其中撕裂棱和开裂粒子的数目较多，韧窝大且深，而且通常是大韧窝之中还有若干小韧窝。这些断口形貌特征都说明:裂纹垂直于轧制变形方向扩展时遇到的阻力大，扩展所需的能量高，裂纹沿L-T取向扩展时要吸收更多的能量，因此表现出L-T取向的断裂韧性高于T-L取向的。