[doc]LY—12铝高温屈服强度的测量

第3卷第1瑚强激光与粒子束v.【.3,N..I

l991乍2月HIGHPOWERLASERANDPART1CLEBEAMSFeb.,199

LY一12铝高温屈服强度的测量

王春奎刘小苹郑融

(中国科学院力学研究所)

摘要本文彳r绍L,12铝合金l庄常温至400?动载F(应变率为J0?/秒】,屈服强

度的测试及研究采用一维Hopkinson压杆实验装置及管式高温炉羊用一维应力渡传播

理论及应变J}直接测最两种方法,得到了L,J2铝合金的屈服强度随温度变化的曲线.

关键词Hopkinson压杆高温动态力学性能LY—I2铝合金高蕊动态同服强度

一

,前言

强激光束辐照在物质上,会产生各种各样的现象.与激光破坏机理有关的问题中,占重

要地位的有激光热效应和冲击效应.所以,物质在高温下的动态力学性质学科,是开展激光

破坏机理工作不可缺少的知识.因此,目前在我们国家白已的材料高温动态力学性能参数不

多的情况下,材料高温堀服强度的测定工作也就是很有意义的了.

通常最简单的方法,是在试件上直接粘贴高温应变片进行测定.但目前,适用于各种材

料的高温应变片I分缺乏,甚至没有.因此,该法有一定的局限性.在这种情况下,我们认为

如果能访通过间接的方法,也就是借助于材料动态力学性能有关的规律,将高温应变片上的

信息,转化到常温应变片上进行采集,再通过理论计算转换为所需的结果,那将是很有意义

的.这样,由于革除了高温应变片,使实验工作简化了.更重要的是可以测量更高温度范

围材料的屈服强度,以及其他的动态力学性能

二,实验装置和原理

实验装置如图l所示.它是由应力脉冲产生系统,输入,输出杆,试件,高温炉和测量

系统组成.应力脉冲产生系统,实质上是一个气动发射枪.它由气路控制系统压气室,枪

膛及子弹组成.子弹的速度决定于压气室的气体压力,及子弹在枪膛内的位置.输入,输出

杆,试件和高温炉是实验的核心部分.测量系统是由应变片,动态应变

仪和存储数字示波器

组成的.

以速度从枪膛射出的子弹,同心地撞击在输入杆上.在输入杆产生一个平面应力脉

冲波,由近及远的传播过去.如图2所示,当波传到输入杆与试件的界面S时,发生反

射与透射.反射渡沿输入杆回传;透射波.在试件内向前传,当它传到试件与输出杆的

界面时渡.又发生反射和透射,透射渡.沿输出杆向前传.反射波F.回传,到界

面又发生反射和透射,形成渡F,F2.和F反射波将在试件内往复下去,每遇界

990年6月7日收到来稿.199O年7月3日I瞄判改稿

强激光与粒子束第3卷

图1实验装置示意图

面都发生反射和透射,形成新的波.

当在试件内进行一次反射和透射,在

输入杆内沿入射波反方面传播的波.为:

-=,0+,0+,,2,30+一??

+,,3…,+.(1)

式中n为奇数.

在试件中,总叠加渡为:

2=0+0+,I0+,I,2F30+一??

+,I,2,3…,0(2)

式中n为自然数.

在输出杆上的透射波叠加为:

输入杆试件输出杆

(钢)(LY—l2铝)(钢)

囤2输入.Ii|出杆厦试件内被的传播图

0+,,2+,,,40+一??

+,l,2…,+lD(3)

式中n为偶数.

(I),(2),(3)式中,.和分别是第f次的反射系数和透射系数

当,.,,是弹性渡时,,.=,.+.,=,

,:.l

+押T__

其中=兽..是波从钢到LY一12铝的透射波.是反射渡,

鲁,…孵岍叭….由(2)式的计算表明,应力渡.在试件内每反射一次,应力增加一次.所以应力脉冲在

试件内多次反射,应力不断增加.变形也就不断增加.当应力脉冲足穆强时,试件产生塑性变

形.借助于试件上的应变片,测量得到试件的,(卜f曲线(实际上也反

映了应变对应力的

兰!塑!二!塑旦墨塑!

关系).从曲线上就可以找到试件的屈服点.特别当子弹速度控制适当时,屈服滞后效应明

显,在E(t),f曲线上,屈服点特征突出,非常直观,很容易读出该点的应变值,(f).对

应的屈服应力由下式决定:

E(7?),(7?)=p(T)C(7?)2tE(f)(4)

其中(7?)为试件的弹性模量.(7?)值由文献【4】得到,由此可以得到屈服应力.

我们再分析(2)和(3)式只要注意到反射系数f和透射系数7?之间有如下关系:

1+f=7?,就可以发现波,,每到偶数个波叠加时,也就是第2个波从输出杆反射回来,直

到第2+1个波从输入杆反射回来止,,另外当试件是L一l2铝,输入输出杆

是钢时,波在试件内往复五六次后,,所以,当适当的把试件做得短一些时,波

传八试件后,很快就可以认为?,而且误差可以很小,如第五次反射后,

最大误差小于

0.7%.

与分析(2)和(3)式关系一样,我们分析(2)式和(.一).除注意l+f=T外,有

l—f=qT.可以发现,的前奇次项之和与对应的输入杆上的透射波的(.+)相等,

条件是试件中的波自输入杆界面的S反射回来开始,到该渡传到试件与输出杆的界面为

止.同样,波在试件内往复反射五,六次后,.+.

由以上分析可以看到,当试件相当短时,弹塑性波在试件内,来回反射几次时间很短,但

却使试件内两端面的应力达到了平衡而且试件内的应力变化也已经很小,且越来越小.所

以我们可以假定:应力和应变在试件内是均匀分布的.而且杆中传播的应力波也是一维的.

如果忽略试件和导杆界面上的摩擦我们便可以得到试样的平均应力和平均应变如F:

盯=1(l+盯d)=?【EI(t)+ER(f)+ET()】(5)Lns…s

lTlTr1ri

Ea==

?I(t)一E(f)一ET(f)】dt(6)LILJ

其中C,,是输入输出杆的弹性声速,弹性模量和截面积;LA,是试件的

长度和截面

积,8.(tE(f).,(t)分别是入射波反射波和透射波在输入,输出杆上的应变.8.(t)和

8(t可以由贴在输入杆上,适当位置的应变片测量得到,(f)可以由贴在输出杆上的适当

位置的应变片测量得到这样试件的平均应力应变关系曲线,就可以得到了.从曲线上可以

找出屈服点于是屈服应力也就得到了

但是,必须注意,上述关系式是输入输出杆及试件均在同一温度下时,才成立的.我们

测量的是高温下试件的屈服应力,在实验测量中,试件虽然恒温在某一高温下,但输入输出

杆则处于一个有温度梯度的环境中因而,输入输出杆的弹性模量是温度的函数,变为E(T)

而温度是随杆的坐标变化的因而位移U的波动方程:.

aU一aU

需要重新导出由材料在弹性范围内的本构关系:

(7)

:塑塑塾?塞蔓堂

,(T)?,(8)

及运动方程:

p(丁)Ot=

罢(9)

得:

)=,t-,鲁+s?警

at=ct丁)鲁+斋??百OT(1o)

(7)式与(10)式相比,(10)式多了一项因而由波动方程(10),导不出,

?Cde(111

通过方程(1I)导出的方程6),对于方程(10)中之U不再成立.需要测出E(T),_,

及温度沿输入输出杆的分布函数,再对(10)式求解,才能得到界面S.,处之UU:.

才

能得到所需的高温下的屈服应力.

三,辅助实验和结论

输八输出杆温度分布的测量:实验中输人输出杆的一端插人高温炉内,与试件连接,另

一

端在炉外的常温环境中,因而沿杆有温度分布,特别在炉口处温差很大.输入与输出杆

对炉子是对称安装的,所以温度分布也是对称的.(参见图1)只要测出其中一个杆的温度分

布,另一个也就知道了.为此,我们采用十多对热电偶,沿输入杆合理布置测点.分别测量

了实验中使用温度下沿杆的温度分布.并得到了温度实验测量值的拟合公式:

T=T?P…+15?

式中4=3.7809X10/cm.在各种温度下,值如表1所示

表1

实验温度:l50?J100?}l50?l21)0?l250?I30CI?l350?}41XI~C

l35?l85?I130?lI75?l220?I265?l3l0?1355?

X的坐标原点取在炉内的输入杆与试件的连接点处.

输入和输出杆材料在各种温度下的声速测量,测量的实验装置与图1相似,差别是输出杆

与试件不相连接,弹长也不一样.具体情况详述如下:

试件做成比输入杆细一点的,与输入杆同样材料的,并做与输入输出杆同样热处理的杆,

杆长做成300mm左右.将试件与输入杆同心地安装在高温炉内.使试件在实验的温度下,

保持恒温.输出杆也保持与试件同轴,但不连接,作吸收杆用,在输入杆的适当位置上贴

应变片.用200mm长的弹冲击输入杆,控制弹速使试件在弹性范围内.

记录从试件两个端

面返回的一系列信号.从数字示波器读出几个脉冲间隔之间的时间间隔.此时间间隔就是波

通过几倍试件长所需的时间.由此得到相应温度下的试件的声速我们首先测量了常温和

400?下输入输出杆上的声速,结果如下:

第1期LY—I2铝高温屈月日强度的翮量:

常温声速:5149.8m/s

400?下声速:5l22.3m/s

测量结果有五位有效数字,精度相当高.

分析此结果我们认为:结果准确可靠.由此结果说明在400?以内,输入输出杆材料的

声速随温度的变化十分小.在近400?的温差下,声速仅下降了0.5%.其他温度下的声速

可以不再测量r.并且我们可以假设,在该温度范围内,声速随温度是线性下降的,则:

C:C.(1一aT)(12)

其中:=1.3×10/?.

我们查阅输入输出杆材料40Gr钢”的膨胀系数,在2(】?,400?时,=1.39x10./?则

E(_,)=P(_,)C(T)=pc:×(1一T)0×eIJ出f13)

将=13×10.?/?,=1.39×10.?/?,T=400?,A_,=385?代入(13)式,则:

EfT)/E=0974

可见,输入输出杆的弹性模量随温度的变化在400?以内是十分小的.而且,在我们的

实验中,输入输出轩达到400?仅是一个小的局部区域.因此,我们假定(10)式中E(T)

因此,OE(T)T=0.这样做引起的误差也是小的.在这一假设下,(10)式变成了.

(7)式.所以,在我们的实验温度范围内,(6)式也就成立了.用(5)式,(6)式作为间接法求

解试件的平均应力应变关系也就有了理论和实验基础.

四,实验和计算机处理结果

1.直接贴高温应变片法测量LY一12铝的屈服应力

我们把试件做成长25mm的圆柱体.在试件中部贴高温应变片.本实验中,有两个环

节必须控制,一是子弹的冲击速度,即不能高也不能低.而且要随温度的升高而降低.目

的是希望在,(t),t曲线上出现明显的屈服滞后效应,以便于读数见囤3照片(a),(b)

二是升温过程应当尽量控制一致我们在升温过程中,一般分三个阶

段,即起始,中间.终

止阶段.在中间阶段,升温速度一般控制在lO?/分左右.起始阶段一般情况下,炉膛内起

始温度都高于室温,而且实验温度越高,偏离室温越多,如在300?以上时,炉膛起始温

度可以达到l50?以上.因此,起始升温的速率都远高于l0?/分.最后,在接近实验温

度时,把升温速率降低,如距实验温度还有l0?左右时,开始降低升温速率,此后大约经过

5,lO分钟,可达到预定实验温度,进行实验在进行实验前几分钟,对高温应变片进行标

定一实验中记录试件上的应变片的应变历史.即以电压对时间表示的,(f),f曲线.在该曲线

上找出屈服点,并读取该点的电压值,利用标定值及应变片的电阻值.灵敏系数,换算为应

变值e(t).再将,(t)代入(4)式,即/7:E(f)e(f),其中E(71)值由文献【4]得到.用该法

测量的屈服应力如表2所示,并表示在囤3上.

表2

温度e?)I351)1001502.0250300350400

屁服厄

IN/m1325x10?336×10320×10292×I(I2-84×10.257x【0I.38×10

阍服威力

lkg,/mm??j3【34332629.8290262,14I

强激光-j牝牵第3卷

照片(a)弹速适中,伺服点明显照片(bj掸速过高

3直接贴高韫应变片法测量L_Y12铝的届服应力

2.间接法测量LY一12铝的高温屈服强度

我们把试件做成长10mm左右.实验中,子弹的速度和升温过程与直接法一致.该法

不在试件上贴应变片,而是在输入输出杆J:贴常温应变片需要注意贴片的位置保证应变片

能分别记录单独的输入垒波形,反射垒渡形和透射垒渡形.而不能让它们之间或它们与其他

的从杆的另一端反【口]的信号相叠加.否则将给计算带来困难.因此,贴片位置的选择需要考

虑杆长,试样长和位置之间的相互关联.要根据走时图估算最佳贴片位置.以保证从应变片

L获得所需要的正确的信息.

实验的方块图已如图l所示.但还需要注意一些细节,为了获得更好的信息,在输入输

出杆上贴应变片往往采用对称贴一对或两对的方式.而动态应变仪的标定档,往往是对l20n

应变片设置的,而且它的标定档的灵敏系数往往也是一个固定值这样使用的标定参数就

与实际应变片不一致.所以,在取值计算时,必须注意进行修正.如我们就是采用一对应变

片对称贴片的方式的,应变片的灵敏系数也与标定档设置的值有小的差别.因此,在换算

时,我们采用修正的公式:

?.?=?“(14)

式中?一实测电压值,?ur标定电压值,,,.一标定的应变值,一标定档设置的灵敏

系数,一标定档设置的应变片电阻值,一应变片实际的灵敏系数,一应变片实际阻

值,(t)一为所求之应变

另外,在示渡器与微机进行数据传送时,存在一个幅值比问题,需要在计算时注意,因

为传送的幅值不一定是l:1的.数据采集传送软件程序我们使用BASIC语言.

上边已经谈到,贴应变片要保证测量时得到独立的输入波,反射渡和透射波,实际上测

量得到的三个波形是电压对时间的曲线,我们04DO

屈服应力

(N/m)290×10298~l0?282×l0|259~l0—233×l02l3xl0?1.98×l0?l72×10l2l

xl0.

届服应力

29.630428.826423821.7202l75l23(kg/mm)

为了和动态数据进行比较,我们也作了LY—l2铝,在部分高温下的静态屈服强度的实

验结果如表4井表示在图5E.

圈5LY一12铝屈服强度测量结果

睾

强激光与粒子束第3卷

表4

温度(?)l550loo1502呻250

伺服应力

(kg/mm)25927.0269265247l53

关于误差问题,在直接法中,误差主要来自高温应变片的灵敏系数,而且随着温度的升

高误差增大.如清华大学200?的高温应变片,它在常温时,灵敏系数误差是1.4%,在200

?时,误差达到33%.其次是标定误差小于1%.其他误差较小从常温到高温总误差在

3,5%.在间接法中,主要误差来源于输入输出杆在高温下,声速和线膨胀系数的改变引

起的,它们引起的误差也是随温度的增加而增大,在400?F约是25%由于应变片灵

敏系数引起的误差是1.5%,标定误差在1%以内,其他误差较小.总误差也在3,5%;

如果该方法考虑温度的影响,那么高温下的误差将览?J,但方法要复杂得多.

由图5的结果可以看出,LY—l2铝的屈服强度在5O?左右比常温的略高一些.温度

再高,则屈服强度随温度升高而下降.静态的在200?以上相对动态下降稍快.另外,

直接与间接法之间的偏差可能是由于某些系统误差引起的.

致谢作者对田兰桥工程师在各方面给予的支持.LNM开放实验宣给于的方便,和段祝平教援对该课题的指

导表示衷心感谢

参考文献

I1】段祝平等,力学进展,第lO卷.第1期,1980年.

I2】王扎立编着,应力波兰础,国防工业出版社,1985年

I3】孙承纬,1989年激光与材料相互作用的热和力学效应学术会议文集(1).

I4】王春奎.刘小苹,1989年激光与材料相互作片J的热和力学效应学术会议文集(3).

I5】工程材料实Hj手册编辑委员会工程材料实片j手册(1),巾国标

准H{版社,第266页,1988年

THEYIELDSTRENGTHMEASUREMENT0FLY—l2

ALUMINIUMALL0YUNDERHIGHTEMPERATURE

WangChunkui,LiuXiaoping,andZhengRong

Institute矿Mechanics,AcademiaSinica

ABSTRACTThispapcrintroducestheyieldstrengthmeasurementofLY一

12aluminiumalloy

underdynamicloadingintemperatureintervalfromroomtemperatureto400C.Thisresearchutilizesone

dimensionalsplitHopkinsonpressurebarsandthetubularfulq?laceTheaveragestress—straincurvesof

specimenscanbemeasuredunderdi雎

renttemIXratureconditionsbasedononedimensiona】theoryof

stresswavepropagationandthierstress—straincurvesalsocanbedetectedbystraingagesdirectly.The

yieldstrengthandyieldstrengthtemocraturecurvecanbeobtained.

KEYWORDSHopkinsonpressurebar,dynamicpropertyofmaterialunderNghtemperature,L.Y一12

alumjniumalloy,dynamicyieldstrengthunderhightemperature.

钢材的屈服强度

Q345是一种钢材的材质。它是低合金钢(C<0.2%)，广泛应用于建筑，桥梁、车辆、船舶、压力容器等。q代表的是这种材质的屈服强度，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345 mpa左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。="">

Q235的屈服强度就是235MPa，也就是抗拉强度标准值，/1.087就是抗拉强度设计值(拉、压、弯都是一个)，规范取为215。

Q345是 345/1.111=310。

见钢结构设计规范GB 50017?2003 条文说明。

需要注意:还有一个抗拉强度fu，这时是指极限抗拉的能力，对钢材讲是指其最小值，Q345的fu=470MPa,1.36fy=1.52f。

钢筋的屈服强度

钢筋的屈服强度是什么？

屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa ，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。

钢筋屈服强度

屈服强度：大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，没法恢复。这个压强叫做屈服强度。如低碳钢的屈服极限为207MPa ，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。（1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；（2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生颈缩，应变增大，使材料破坏，不能正常使用。当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B 点后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度(ReL或Rp0.2) 。有些钢材(如高碳钢) 无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度（yield st rength ）。首先解释一下材料受力变形。材料的变形分为弹性变形（外力撤销后可以恢复

原来形状）和塑性变形（外力撤销后不能恢复原来形状，形状发生变化，伸长或缩短）。建筑钢材以屈服强度作为设计应力的依据。

【doc】铈对铝锂合金板材屈服强度各向异性的作用及其理论预测

铈对铝锂合金板材屈服强度各向异性的作

用及其理论预测

第22卷第1期

Vo1.22?.1

中国稀土

JOURNA1OI;’THECHINESERAREEARTHSOCIET~

2004年2月

Feb.2OO4

铈对铝锂合金板材屈服强度各向异性的作用及其理论预测

赵志龙,刘林,陈铮

(西北工业大学机电工程学院,陕西西安710072)

摘要:对比研究2090和2090+ce铝锂合金板材沿轧向,横向和45.方向屈服强度的变化,采用ODF测试分析r两合金板材形变织构的差异.

结果表明,稀土ce有增强Brass和S轧制织构分量.降低Cube和Goss再结晶分量的作用.使得含Ce板材屈服强度的各向异性程度高于

2090合金板材;本工作在采用Taylor/Bishop.Hill模型对两合金板材不同取向屈服强度预测的基础上,利用Hal1.Petch关系式对晶界的强化作

用进行了估算,通过与拉伸实验结果的拟合引入晶粒取向因和TI相取向因子的概念.提出了一个修订的”塑性内含物模型(PIM)”:

关键词:金属材料;铝锂合金;形变织构;各向异性;取向因子;稀土

中图分类号:TG146.45文献标识码:A文章编号:1000—4343(2004)O1—0130—04

在2090铝锂合金中,添加微量稀土是改善合

金低塑性和低韧性的工艺措施之一力学性能测

试结果证实,具有强织构的铝锂合金板材表现出

比普通铝合金更高的力学性能各向异性l1.-一:稀土

Ce的添加究竟对合金板材屈服强度各向异性产生

怎样的影响,目前尚无定论.一些研究工作发现,

铝锂合金板材屈服强度的各向异性与T.相析出量

具有一定的相关性,这种影响可能会造成板材异

向性的增加[?.为了澄清这样一些问题,本文利

用X射线衍射对比分析了固溶状态2090和2090+

Ce(含铈2090铝锂合金)两种铝锂合金板材形变织

构的差异,并结合不同取向上(与轧向呈0.,45.和

90o)不同热处理状态试样屈服强度的测试结果和

经修订的PIM(PlasticInclusionModels)理论模型的

预测结果,探究稀土Ce对2090合金板材力学性能

各向异性的影响,及其Taylor系数,晶粒形状因素

和T,相取向参数的复合作用.

l实验方法

2mm厚2090和2090+Ce铝锂合金轧制板

材,其化学成分见表1.3种热处理状态:530c【=/

30min固溶处理,190~C/6h峰值时效,265?/2

min回归处理.沿与轧向呈0.,45.和90.方向裁样,

测试室温拉伸性能.

表1两铝锂合金板材化学成分(%,质量分数)

合金

2090

2090+Ce

织构分析试样为固溶状态试样,尺寸为25mill

x25HI12rI,单边磨光,并采用1%HF水溶液去除表

面应力.PHILIPSPW1700X射线衍射分析仪分析

两合金板材形变织构.CuKa靶,参数设置40kV,

40mA,波长1.5406nm,步进角5..采用{111},

200和220}极图,测绘ODF图.

2实验结果与分析

2.1屈服强度的测试及其各向异性

不同取向试样(与轧向呈0o,45.和90.)经固溶

处理,峰值时效以及回归处理,共九组试样,分别

测试拉伸性能.屈服强度随取向角和处理状态的

变化情况见图1.

峰值时效处理在基体中主要沉淀出6相和Tl

相;回归处理后,由于加热温度在固溶线温度以

上,所以6相将回溶于基体中,Tl相略有粗化[.

采用表示板材各向异性程度,3种热处理状态

00.

下板材各向异性程度对比于表2.

收稿日期:2003—06—09;修订日期:2003—09—15

基金项目:国家重点基础研究规划资助项目(G2000067202).航空科学基金资助项目(02H53065)

作者简介:赵志龙(1963一),男,陕西西安人.博上.副教授;研究方向:材料成形工艺和微观力学

*通讯联系人(E.mail:zhaolong@nwpu.edu.cn)

1期赵志龙等铈对铝锂合金板材屈服强度各向异性的作用及其理论预测131

西

山

匕

苗

里

Angletorollingdirection/(.)

图l屈服强度随取向角和热处理条件的变化

表2不同热处理状态下,两合金板材各向异性程度

经峰值时效处理后,板材屈服强度的各向异

性显着下降,峰值时效后的回归处理使各向异性

进一步下降.由于时效和回归处理对形变织构的

影响较小,可见热处理过程中脱溶相的沉淀和变

化对屈服强度各向异性有着重要影响【.含Ce板

材表现出略高的屈服强度各向异性(在固溶状态下

尤甚),与Ce对形变织构的影响有关.

2.2ODF测试结果与讨论

ODF(Orientationdistributionfunction)图是材

料织构三维取向分布函数图.图2为2090和

2090+ce两合金板材ODF测试结果.图中仅标示

出夺=0o,25o和45.等截面图,其中已包含了主要的

织构成分.表3是根据ODF的测试结果计算的几

种理想织构分量强度.

图2=0.,25.和45.共面ODF图

Brass,S和Copper型织构常称之为轧制织构,

而Cube和Goss被称之为再结晶织构.轧制织构对

板材力学性能各向异性具有加强作用,而再结晶

织构则具有削弱作用2J.由表3可见,两合金板材

中Brass织构分量最强,说明绝大部分晶粒取向接

近{110}<112>,其次是S型织构,其他织构分量

较弱.含铈板材中Brass和S织构类型略高于2O9O

合金板材,而Cube和Goss再结晶分量低于2O9O

合金.正是由于织构分量强度的差异造成2090+

ce合金板材表现出略高的屈服强度的各向异性.

3屈服强度各向异性的理论预测与

模型的适用性’

3.1理论模型概述及其Taylor系数的计算

多晶材料中由晶体织构造成的力学性能各向

异性的理论预测,往往都是利用Taylor/Bishop.Hill

模型:

应力=M(g)?r(1)

其中(g)是与晶体取向有关的Taylor系数.

Taylor/Bishop—Hill模型在时效强化合金中存在弥

散的第二相时,由于诱发了局部的非均匀变形使

Taylor的假设条件受到限制.为此Hosford和

Zeislofl提出”塑性内含物模型(PIM,PlasticInclu—

sionModels)”,Brown等提出”弹性内含物模型

(ElM,ElasticInclusionModels)”.前者将脱溶相视

为可发生塑性变形的几何体,而后者则为”非变形

表3各织构类型在2090和20904-Ce合金板材中所占体积百分比

日

l32中国稀土22卷

质点”.当位错与内含物间的交互作用形式为

Orowan形式时,PIM模型将受到限制;而EIM模

型由于没有考虑内含物自身的调节对应力,应变

的可能松弛作用,理论预测结果往往出现较大的

偏差.因此,绝大部分理论预测工作仍是采用PIM

模型.

晶粒取向分布函数(ODF)为从理论上较精确

地计算Taylor系数提供了一条途径[,:ODF实际

上所描述的是关于某一特定坐标系具有取向为g

的晶体,在各晶粒中所占体积分数,即

JT,

(g)dg,g:{l2},

dg:壶sinddida2(2)

,l和2则为Fuler角.

函数厂(g)可按广义球谐函数展开,并利用晶

体的对称性进行简化.利用一组极图数据,进行多

重叠加,计算各展开式的相关系数.最终计算的

Taylor系数结果见表4.2090和2090+ce两合金

平均Taylor系数分别为3.08和3.22.

3.2修订的PIM模型

2090合金中主要的时效脱溶析出相为与基体

完全共格的球状相,与基体半共格的片状T相

强化相性质,符合PIM模型的基本假设,即基体中

的部分应变转化为沉淀相的塑性变形.因此本研

究工作以PIM模型为基础.在固溶状态下,可直接

利用式(1)对固溶状态下屈服强度进行预测计算

结果及实验结果见表5.

由表5可见,预测结果与实测结果约相差100

表42O9O和2090+Ce铝锂合金取向参数

合金Taylor系数晶粒取向因子TI相取向因子

与RD夹角

:::::!:::!:

20903.183.023.051.00.171.050.39059063

20904-Ce3.392.993.291.040.691.020.380.690.58

表5Taylor/Bishop-Hill模型预测结果和实测结果(MlPa)

MPa左右,尤其在0.和90.取向上相差较大.虽然

Taylor/Bishop—Hill模型预测结果基本上反映出了

屈服强度各向异性的变化规律,但各向异性明显

减小.说明除织构造成板材屈服强度各向异性外,

晶粒的形状因素也是一个重要因素.

晶界和晶粒尺寸对屈服强度的影响可采用

Hall—Perch关系:

:+,/2Aad一12=+—l/2(3)

式中为点阵中与温度无关但与结构有关的阻力

项;A一/~b/2rc(1一.,),剪切弹性模量,p泊松

比,b柏氏矢量;为启动相临位错源的临界应

力;d!为晶粒直径的平方根,为Hall—Petch关

系系数:

实际Taylor/Bishop—Hill模型仅仅是考虑了

Hall—Petch关系式中与晶粒尺寸因素无关的第一

项,因此造成预测结果偏低.现在来确定Hall—

Perch关系式中第二项的强化贡献.假定薄饼状晶

粒的平均直径为D,厚度为h;晶粒的直径采用有

一

—一

效直径d={Dh表示,其中D一1.4mm,h—

0.05mm;=30GN?113一,b=0.2864nm,=

0.33:面心立方/6.3是个合理值【.71.这

样计算得到=36.6MPa.加上这一部分晶

界的强化贡献,计算结果比较接近实测结果.但这

样的计算并没有考虑到晶粒形状对力学取向性的

影响在这个问题的处理上,引入一个与晶粒形状

有关的取向因子T】.两合金各取向上与晶粒尺寸及

形状有关的取向因子T】计算结果见表4.

回归处理后试样中仅保留了Tl相,根据Hos.

ford—Zeislot的强化相旋转模型以及Huang1一所提

出的线性叠加律,通过与实验结果的拟合可得到

如下关系:

M[z-”(1一-厂T.

)+T.

+qkd](4)

式中z-.?为基体的强化作用,.

厂T.是T相的体积分

数,是个与T1相取向性有关的参数,不表示Tl

相对临界剪切应力

利用式(4)计算的T1相取向参数随取向角

的变化见表4.图3(a),(b)和(c)分别为Tl相取向

因子,晶粒取向因子和Taylor系数随取向角的变化

情况.从各取向因素的变化趋向可以看出,Taylor

系数及晶粒取向因子随取向角的变化与试样屈服

1期赵志龙等铈对铝锂合金板材屈服强度各向异性的作用及其理论

预测133

AngletOrollingdirection/(.)AngletOroilingdirection,’()AngletOrollingdi

rection/(.l

图3Tl相取向因子(a),晶粒取向因子(b)和Taylor系数(c)随取向角的

变化

强度随取向角的变化倾向基本吻合,而T相取向

对屈服强度各向异性具有一定的削弱作用

4结论

1.拉伸性能的测试结果表明,固溶状态下,

2090+Ce锂合金板材的屈服强度的各向异性程度

高于2090合金板材.形变织构的分析结果表明,

微量Ce的加入有增强Brass和S轧制织构分节,

降低Cube和Goss再结晶织构分量的作用=

2.屈服强度各向异性的准确预测,其理论模

型需考虑晶粒形状和具有一定惯析面的强化相对

合金宏观力学性能取向性的影响.

3.采用修订的内含物数学模型分析和计算结

果表明,稀土高强铝锂合金和2090合金屈服强度的

各向异性主要取决于织构和晶粒取向,T.相的取向

性对合金板材的各向异性具有一定的削弱作用:

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EffectofCeriumonYieldStrengthAnisotropyinAlloyAl-Liand

ItsTheoreticPrediction

ZhaoZhilong,LiuIJin,ChenZheng(College

PolytechnicUniversity.xifan71oo72,Chinn)

Abstract:Thevariationofyieldstrengthalongrolling

direction.intransversedirectionandin45.directitm

for2090Al—Lialloyand2090+Cealloysheetswas

investigated.Thedifferenceofdeformationtexturein

twoalloysheetswasanalyzedbymeansofX—raxorien—

tationdistributionfunction(0DF).Theresultsshow

thatceriumhastheeffectsofenhancingthebrassand

Srollingtexturecomponentsandreducingthereclvs—

tallizedtexturecomponentsofCubeandGoss.ThisiS

thereasonthattheyieldstrengthanisotropyin2090+

ofElectromechanicalEngineering,Northwestern

Cesheetishigherthanthatin2090alloysheet.The

predictionofyieldstrengthalongvariousorientationin

twoalloysheetswasdoneonbasisofTaylor/Bishop—

Hillmodel,andthestrengtheningeffectofain

Petchrelation.A boundarywasevaluatedusingHall—

modifyingplasticinclusionmodelsintroducedonbasis

ofgrain.orientatedfactorandTJphaseorientatedfactor

wasproposedbyfittingthemodeltoexperimentalre—

st11ts.

Keywords:metalmaterials;aluminum—lithiumalloy;deformationtexture;anisotrop~;orientationfactors;rareearths

铝和铝合金材料拉伸时比例极限与抗拉强度的关系及屈服强度的测定

, , 轻合奎加 , 驻苯 , , ， , ,, 埔, ， ( ,,，一一一 ,(,一, 铝和铝合金材刺啦伸时比例极限与抗拉强度的关系及屈服强度的测定瀚海螺业有限公厨墨’ 壁 , , ; ( ，于厚 (,,,, 毫米的八种铝和铝台金材料的试验蛄果进行线性麓蔓】,, 度,, , (, 归回。分析，确定铝和铝合垒材料的抗枉强度口与比例极限, 极戈线性相关。， ,, 口 , ,( ,, ， ,(,,, ,,, , 丧造毒叉屈服强度口 (测定时，为确定弹性模量, : ,, 而选取, 点，置信度按, ( 选取口 ? 口推导出关系式: , , ， , ，(, ; ？, 。 ,, ,?? 。 ,, ? ,( × , ， ,, , , , 。, 一(,,, , , ,,(, ,, , ,, , , , ，, 式毒弗善丧试验的, 点，奎帮满足口 : 捷美曩( ? 的要求而按日方专拿给出的 , ,, 关系戎以 , , 谜取时，, , , 的试验次数占, ? 。

给出了实际铝度铝合套拉粒强虞范圃内，, 兆据此

蒯 (的 , , , 。帕) 的, 值以厦 , 定,。 , 步骤，具有赛用性厦方使性。 ( , 和～机性试些丝屈堡抗强托伸关调查蓝械毹验型服拉度 , 引言金材料进行了试验分析，提出了题的解决问方法( ,, ,, 年我公司 ,进了日本岛津公

【 , 名义屈服强度的测定和 , 、 , , ,型电 , 司制造

的采用计算机自动控制的 , 一 , , 点 ,, 的选择予拉兜机，在实际使用过程中发现，进行铝 ( 酒定时，按日方材料的名义屈服蠢度,。, 。屈服强度口是塑性材料最重耍的机被性专家给出的刿奄弹蚀, 量 ,而选取 , 点的经麟。，罔工能筐之 ,, 是进行强度计算和压力 , 过程 : ( 点验公式口， , , ，时有发生 ,。落在材料变形抗力计算的一项主要依据。按照国家标比, 极限之外倒，造成仪器对弹性横量 ,的判 ,, , 准 ,, , , , ，有明显屈服现象的金属材料断失真，而给出有误的,,, 进，甚至找不到应测其届服点、上屈服点或下屈服点，在屈 ,，。 ( 的现象发生。实践证明，有了先进的服阶段载荷发生下降且有关标准或协议无规拨器只是为进行精确测量创造了条件，并不定时，一般只测屈服点或下屈服点，因为土意眯着肯定会得到准确的测量结果。为此，, , , 屈服点的数值与试件的形状、加载速度等因者对厚度, , ,, 毫米的八种铝和铅台 (, , , , 索有关，一艇是不稳定的，而下屈服点则有 ? , , , ,掩 , ,? ， , , ， ( 轻夸奎加工糙米 ,比较稳定的数值，能够反映材料的性质。无一试榉的礞 , 横截面积。式中。,。始 ‘明显屈服现象的塑性材料，应测定其规趔 , 在电子拉力机中，基于上述原理( 瓤 (或规定残余伸长应力比饲仲长碰力, 。, , 、, 两点计算出斜率，即材料的弹性横 , (。。撤为材料的名义屈服强度 ,。 , ( 值。如果量,，搜索求得,点，

给出口。的 , 铝和铝合金材料一般无明显屈服现象，点 ,，落在材料比例变形范围之外，必然会使且有明显弹眭直线段 ( 图 ,) ，但也不排见变 ( ( ,偏离正确值 ( 小 ) ，导致 ,。失真变除某些特殊材料呈现明显屈服现象的可能性，或者仪器搜索不到，给不出, ( 的数大) 。。，此时应测定其屈服点或下屈服点，而不世值。见附录 ,。仃按嘲定,。 ( 的方法给出名必屈服强度。见附如果 , 比比例极限相应的载荷 , 小，坦 , , 录 ,。小得太多，会造成侧梅的, 影鹊误差变犬 , 对于大多数无明显屈服阶段的材料(斑嘲试验结果的精确度，镯为 ;测定, 。, , 。 , 为材科的名义屈服强 (或 (作度。按照国家标准应在载荷一一变形曲线上 , , , 普 ( 见 ( 母 ,) 取式中，, 一试样拉伸前的橱， , ,差 ,,一 , , , ,, , , ? , ?, ,一 ,整

】，式中，,一规定非比例伸长率或规定残余伸 , —载荷为 , ,

, 时，试样棒距 ,内帕伸 ( ,长率。铞厦锅台金取, , ， , —, 伸计的长一标距 ,, 伸长或位移的放大倍数。，载荷为 , 时，试样标距, 的, 内申过 ;点作弹性直线段的平行线,,交曲线长点。为所副的名义属服于,点，, 对应

式霄得名, 屈服强度 ? 圊, 栽的, ( 义强度相应的载荷，由下

许变掰镯 , 伸 ( 固, ,比力砖书仲长)应,示孳两 , , 妊合空加工技术 , , ,, ( , 抽 , , , ， ,, , 兽矗, 是仪器测最的果，具有误差，据误差表肖 , ( 求临界值 (按自由腹, ,, ，理谣 ( , ,:: , ) ? ( 长血 , 差 ,,, , (, ,, , , (, 见 ,, , ( 参考资料 , , , (, 见， , , , ( , ，,, , ( 参考资料 , , , ) ，, ,) 主上， , 述可见，,的误差 ( ,) 与,差或 (, ,, , (, 见，, , ) :, , ( 参考资料 , , , ‘ 应在阮痢变形范围内尽最选取较反比，因按相关性检验原则，如果 ,, ，则认差。大的, 、, 见为 , 之间具有线性相关关系 ( 参考资料 (, 日方专家建议，按, , 取 , 点，以 , , ,， , , ) 由计算结果可见，置信度为排除夹具初始滑移造成的误差。试验结果表 , 远， , 时，, 大于，所以吼与。高度显著线只萎 ( , 明，‘ 夹蜜力选取台适，可按, ,, 选见， ,, 性相关 ( 参考资料 , , , ) 。 , 点。, 点选取应在不超过比例极限点的用另一种方法计算，得到同样的结果。前提下，尽量接近该点。棱日方专家给出的， — 了一 , , 选择 , 点时，时有 ,, 落在比例变 (, 点线相系 ,?, 一,( , , ,, 性关数 , , , (失形范围之外，使,。真变大的现象发生。见，, , ) ( 参考资料 , , , ( , , ( 据此，对厚度.

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