在复合应力状态下，通过带缺口试样研究AA6061-T6铝合金的变形与失效机制

《Materials Characterization》：Deformation and failure mechanisms of AA6061-T6 under combined stress state through notched specimen

本研究采用缺口拉伸试样结合数字图像相关（DIC）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析AA6061-T6铝合金的变形与断裂机制。结果表明缺口几何导致显著应变局部化，存在三种主导晶体学织构，断裂模式为混合韧性-脆性，且Al??(Mn,Cr)?Si? dispersoids不作为微孔泡形核位点，而是参与整体变形过程。

　　

尹成刚|张仁|季超|金涛

中国台州市台州大学智能制造学院，邮编318000

摘要

本研究采用带缺口的拉伸试样，并结合数字图像相关技术（DIC）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），探讨了AA6061-T6铝合金的变形和断裂机制。结果表明，由于缺口几何形状的影响，缺口试样出现了明显的应变局部化现象。研究识别出三种主要的晶体纹理：〈001〉||ND（软取向，倾向于多滑移）、〈101〉||ND（较硬取向，表现出混合滑移特性）和〈111〉||LD（容易发生局部单滑移变形）。滑移轨迹分析显示，较大晶粒的Schmid因子值变化较大，从而促进了应变局部化。断裂观察表明，断裂模式为韧性-脆性混合破坏，涉及微孔聚合和晶间裂纹。值得注意的是，Al??(Mn,Cr)?Si?分散体并未作为微孔的形核位点，而是积极参与了整体变形过程。晶体纹理、晶粒尺寸和应力状态之间的相互作用决定了损伤演变和最终的断裂行为。

引言

由于具有优异的耐腐蚀性、低密度和高比强度，铝合金被广泛应用于汽车、航空航天和建筑行业。[1]，[2]。特别是AA6061-T6合金被广泛用于轻量化汽车车身面板和底盘结构部件，从而在节能、减排和成本效益方面带来了显著优势。这些广泛的工程应用使铝合金部件不可避免地面临复杂多变的服务环境。因此，这些部件在苛刻条件下的长期性能和结构完整性在很大程度上取决于材料强度的可靠性和变形行为的可预测性[3]。换句话说，组成材料的机械性能是维持部件功能的基础。此外，材料强度与变形之间的关系本质上是复杂的：宏观强度可以反映不同的微观变形机制。因此，全面理解变形行为具有重要的学术意义和工程价值。

如前所述，材料所面临的服务条件本质上是复杂多方面的。因此，研究材料在复杂载荷下的机械行为和变形特性至关重要。迄今为止，现有研究主要集中在单轴载荷条件下的机械响应，包括单轴拉伸[4]、[5]、压缩[6]、[7]、动态一维冲击[8]以及在高温或低温下的拉伸或压缩测试[9]、[10]。然而，也有部分研究报道了材料在复杂应力状态下的机械行为。例如，金等人研究了合金和聚合物在复合压缩-剪切载荷下的屈服和本构行为，并基于这种测试方法提出了相应的本构建模框架[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这些测试方法最初是为研究金属材料的绝热剪切现象而开发的。尽管这些努力有助于更深入地理解多轴机械行为，但相应的分析主要停留在现象学层面，主要关注宏观应力状态和本构公式，而没有明确建立与多轴载荷下激活的微观变形机制之间的联系[17]。

目前用于材料多轴机械测试的方法大致可以分为三类：(i) 使用昂贵且专用的多轴加载框架进行直接多轴测试[2]；(ii) 修改试样加载配置[18]；(iii) 设计专门的试样几何形状[19]。后两种方法依靠几何效应来实现可控的多轴应力状态。尽管这些方法本质上是间接的，但它们在高效性和低成本方面具有显著优势。例如，金等人利用第三种方法研究了AA6061-T6在剪切载荷下的微观变形机制，并在晶粒尺度上讨论了其与拉伸载荷的机械差异[20]。此外，还分析了材料取向对剪切行为的影响[21]。这些研究为结构材料的工程应用提供了重要见解，并为新型机械测试方法的发展提供了宝贵参考。然而，仍存在一个关键空白：缺乏一个将微观结构机制、介观变形过程与宏观机械性能明确联系起来的稳健的多尺度框架。建立这样的联系对于深入理解材料的本质机械行为至关重要。

当前的研究工作主要集中在先进铝合金的设计和加工上，特别关注加工参数对微观结构演变和宏观机械响应的影响[4]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，从工程应用和多尺度本构建模的角度来看，迫切需要研究在实际复杂应力状态下的变形机制。受此驱动，本研究选择了具有广泛工程应用的AA6061-T6作为模型系统。采用多尺度方法整合宏观、介观和微观表征，以阐明在复合载荷条件下的变形和断裂机制。在本研究中，DIC、EBSD和TEM分析的结合揭示了晶体纹理、晶粒尺寸和应力三轴性在控制应变局部化和损伤演变中的作用。特别是提出了一种基于滑移轨迹分析的定量统计方法，为多轴载荷条件下的微观结构-力学关系提供了见解。第2节详细介绍了实验程序。第3节展示了实验结果，包括载荷-位移响应、宏观变形分析、断裂表面形态及相关断裂机制以及滑移轨迹分析。讨论部分重点讨论了由缺口试样几何形状引起的多轴应力状态，这些应力状态决定了不同纹理组分和晶粒尺寸依赖的塑性变形机制的演变，特别强调了晶体纹理和晶粒尺寸的作用。最后，第4节总结了本研究的主要发现，并指出了未来研究的方向。

节选内容

材料与试样

本研究使用的材料是AA6061-T6，由上海和川金属材料有限公司（中国上海）提供。详细的化学成分列在表1中。本研究使用的AA6061-T6带缺口试样的几何形状和尺寸如图1a所示。与传统单轴拉伸试样相比，该设计的特点是试样测量段中心引入了对称缺口，通过去除部分材料形成。

机械性能与宏观变形

图1a展示了AA6061-T6带缺口试样在拉伸载荷下的力-位移曲线。可以看出，在加载初期，该试样的力-位移响应与传统单轴拉伸试样有显著差异。最明显的区别是缺乏明确的弹性区域，以及非线性行为的出现，这源于局部弹性变形之间的不匹配。

量化Schmid因子（SF）

为了更深入地了解AA6061-T6带缺口试样中不同尺寸和取向晶粒在宏观拉伸载荷下的变形机制，对最有可能在晶粒中激活的三种理论滑移系统的Schmid因子（SF）值进行了统计分析。对于一个给定的晶粒，如果SF1 > SF2 > SF3，则需要评估激活不同滑移模式（即单滑移、双滑移或多滑移）的可能性。

结论

本研究阐明了AA6061-T6在带缺口拉伸载荷下的微观结构依赖的变形和断裂行为。缺口的引入改变了试样内部的应力状态，这种应力状态在整个变形过程中逐渐演变。具体来说，应力状态从加载开始时的近似平面应变拉伸转变为断裂开始时的剪切主导状态（η逐渐减小）。

CRediT作者贡献声明

尹成刚：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究。张仁：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。季超：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。金涛：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，实验研究，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省自然科学基金（授权号：202203021221066）的支持。感谢各方面的财政支持。