车用铝合金5182_O准静态单向拉伸试验

为研究进口铝板和国内铝板的成型性能差异，对铝合金5182_O材料进行0度、45度、90度3个方向上的准静态单向拉伸试验，用输出的载荷位移关系曲线求出材料的应力应变曲线，并提取出铝合金材料的屈服点、抗拉极限，测量试验前后试样的试验区域长度变化，计算出断后延伸率、弹性模量及厚向异性指数。对2种铝板进行同步对比分析，在相同试验条件下，进口铝板的屈服强度、抗拉强度均高于国内铝板；从0度、45度、90度3个拉伸方向上看，拉伸方向成90度时，铝合金5182_O的延伸率最大，成型性能更好。

01 准静态单向拉伸试验

汽车车身轻量化是解决节能减排问题的有效途径之一。铝合金有着密度小、比强度和比刚度高、易于成型等特点，可以给汽车提供更轻的车身质量，减少资源的消耗。同时，铝合金拥有较高的工艺性能，能够保证汽车的安全碰撞要求，因此被广泛应用于汽车、轻型货车、地铁及航天航空等领域，但对其性能的研究仍然不够全面，特别是随着其他合金的不断出现，对铝合金成型性能及基础性能的要求也越来越高。基于此，文章对进口铝板与国内铝板进行了性能差异分析。

试验目的

本次试验的试样由铝合金5182_O制备，采用标准GB/T4228—2005，对试样进行了0度、45度、90度3个方向的单向拉伸试验，观察3个方向上铝合金的性能差异；并通过单向拉伸获得铝合金的载荷位移关系曲线图，求出应力应变曲线，分析提取后得到材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率及厚向异性指数，对比进口铝板与国内铝板的性能差异。

试样制备

试验采用进口铝板与国内铝板对比的形式展开分析，先用激光切割机将铝板切割出规定尺寸的试样，如图1所示。试样试验区域长度为75mm，宽度为12.5mm，厚度为1.2mm。


将进口铝板试样编号为1组：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。其中1-1、1-2与轧制方向成0度；1-3与轧制方向成45度；1-4、1-5与轧制方向成90度。将国内铝板试样编号为2组：2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。方向与1组相同。

试样制备

准静态单向拉伸试验在温室环境下（10~35摄氏度）进行，将试样及夹头安装在INSTRON3382型号拉力机上，在试验开始之前，需要注意以下2点，尽量减少操作的误差，保证数据的准确性：

1）固定试样时，要使试样的长度方向与拉伸方向尽量保持一致，若偏离了拉伸方向，试验结果所得数据将不准确；

2）在固定试样的过程中，夹紧块的攒动会造成试样内部存在一个初始的拉伸应力或挤压应力，这也会造成试验数据的不准确，需要对夹紧装置的初始位置进行微调，使试样内应力趋近于0时，将试验数据清零，再进行试验。

装夹好试样并按照上述2个步骤清零数据后开始测试，以2mm/min的速度匀速拉伸，得到试样拉伸断裂结果，并且10组数据全部测试完毕，如图2所示。



将进口铝板试样编号为1组：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。其中1-1、1-2与轧制方向成0度；1-3与轧制方向成45度；1-4、1-5与轧制方向成90度。将国内铝板试样编号为2组：2-1、2-2、2-3、2-4、2-5。方向与1组相同。

02 应力应变曲线及材料力学性能参数确定

载荷位移曲线

分别将2种编号的材料拉伸至发生断裂后，测量出断裂时试验区域的长度值，如表1所示。



通过准静态拉伸试验获得2组试样的载荷与位移关系曲线，如图3所示。从1组的数据中可看出，试样所能承受的载荷在4570~4590N，而2组的试样所能承受的载荷在4229~4300N。由此可知，进口铝板承受拉伸力的能力要略微优于国内铝板。



应力应变曲线

将测量得到的载荷与位移关系曲线，转换成工程应力应变曲线。工程应力应变曲线并未真实地反映出材料随应变变化的关系，因而需要将工程应力应变曲线转化成真实应力应变曲线。工程应力应变转化成真实应力应变的依据，如式（1）~式（4）所示。



假设：在拉伸力达到最大之前，试样中间段的变形是均匀一致的，不考虑操作人员的操作误差，则：



综上，求出试验数据后，得到应力-应变曲线图，如图4所示。根据1组的数据可以求出，材料的屈服点在150MPa左右，超过该值后材料发生塑性变形，抗拉强度在300MPa左右；2组数据的材料的屈服点在120MPa左右，抗拉强度在280MPa左右。由此可知，进口铝板的屈服强度及抗拉强度均略高于国内铝板。



材料性能参数

根据图4提取出2组数据的弹性模量、屈服强度、抗拉极限（抗拉强度）、延伸率及厚向异性指数，如表2所示。从图4和表2中可知，材料在0度、45度、90度3个方向上的单向拉伸流变应力基本保持一致，变化趋势相同；且在3个方向上存在着一定的各向异性，其中，45度的最为明显；同时90度方向上的延伸率达到最大值，所以成型性能比较好。从测量求出的数据上看，进口铝板测量出的弹性模量、断后延伸率以及厚向异性指数都比国内铝板的数值要大，因而进口铝板的成型性能也比较好。



03 结 论

综上可以得出：

1）由载荷0位移关系曲线可知，进口铝板所能承受的拉伸力在4570~4590N，国内铝板所能承受的拉伸力在4229~4300N。

2）从2组材料的厚向异性指数来看，进口铝板的数值较大于国内铝板，说明进口铝板抵抗变薄的能力要强于国内铝板；从0度、45度、90度3个拉伸方向上看，材料长度方向与轧制方向成90度时，厚向异性指数最大，抵抗变薄的能力更强。

3）进口铝板的屈服强度约为150MPa，抗拉强度最大可达300MPa；而国内铝板的屈服强度约为120MPa，抗拉强度最大可达280MPa。

4）2组编号材料的延伸率最大值出现在与轧制垂直的方向上，进口铝板最大延伸率为25.8%，而国内铝板的最大延伸率为26.9%，均高于0度与45度的断后延伸率，所以当拉伸方向与轧制方向成90度时，材料的成型性能较好。

基于铝合金5182_O准静态单向拉伸试验求出的材料性能参数，还需要进行进一步的仿真和现场验证，在实际应用中不断积累经验数据和完善。对以下3个方面，还将进一步研究：

1）对钢板和铝板的成型性能做模拟仿真分析，观察两者对零件起皱、开裂、回弹的影响；

2）对进口铝板和国内铝板的成型性能做模拟仿真分析，观察两者对零件起皱、开裂、回弹的影响；

3）现场验证：按照模拟仿真分析流程对板材进行冲压成型，观察其起皱、开裂情况，并记录回弹数据，与模拟仿真结果进行比对。