導讀

從汽車安全性角度，必須要考慮鋁合金等輕量化材料車身在碰撞中的抗沖擊性以及承受沖擊載荷的能力。由此，研究鋁合金在應變速率為1s^-1～10³s^-1范圍的動態力學性能，成為新能源汽車安全可靠性仿真與評估的重要參量。

3003鋁合金作為低強度汽車動力電池封裝材料，其動態力學特性成為汽車受撞擊苛刻條件下殼體損傷程度評估，乃至動力電池防泄漏安全設計及管理的關鍵指標，但相關研究鮮有公開報道。本文研究了不同應變速率下3003鋁合金的動態拉伸行為，結合DIC數字圖像技術、掃描電鏡和顯微硬度等，著重分析了動態拉伸過程的變形與斷裂特征，為該材料的應用提供一些參考。

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實驗部分

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不同應變速率拉伸的應力與變形行為

從圖a、b可知，屈服強度和抗拉強度隨應變速率增加呈現兩階段特性，當應變速率小于100 s^-1時，屈服強度和抗拉強度隨應變速率增加緩慢增大；當應變速率大于100 s^-1時，應變速率的強化作用增大；隨應變速率增加，伸長率也增大。圖1c的流變應力-應變曲線表明，3003鋁合金不僅具有應變速率敏感性，同時塑性隨應變速率提高而增大。

圖2所示為選取圖1a中A-F點應力150N/mm²下和斷裂前的應變云圖，并和斷裂試樣宏觀樣品照片對比。從圖可知，在應力150N/mm²條件下，應變值在標距范圍內近似均勻分布；隨應變速率提高，應變值下降；圖中試樣中央區出現了明顯的應變集中區；隨應變速率的增加，應變集中區影響面積變大。

圖3為材料的應變變化曲線，可見，各個應變速率下試樣的應變值都隨著圖2中虛線A、B點的距離增大而先增大后減小，變形程度隨應變速率增加而增大；如圖a，b，在大塑性變形條件下，橫向應變大于縱向應變；圖d可以看出縱向條件下的應變變化更大，中部區域應變集中度也更高，表明動態拉伸主要作用于縱向。

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不同應變速率下斷口形貌特征

圖4為典型拉伸速率下斷口宏觀照片。結合圖2a～c斷裂前的應力集中分布區和試樣斷裂宏觀照片可知，試樣斷口分為兩大區域，即由于應力集中導致率先開裂的中部區域(Ⅰ區)以及裂紋擴展發生拉伸剪切混合開裂的兩端擴展區(Ⅱ區)。

斷口形貌主要為大小不一的韌窩和撕裂棱組成；隨應變速率增加，小型韌窩增多并長大，撕裂棱上逐漸出現韌窩乃至消失；與Ⅱ區相比，Ⅰ區斷口的撕裂棱明顯減少，隨應變速率增加，韌窩增多，撕裂棱逐漸減少。

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不同應變速率下斷口側面顯微組織及顯微硬度

拉伸斷口側面的顯微組織?？梢钥闯?，拉伸前晶粒大小分布不均，拉伸條件下晶粒發生了明顯的伸長、變細。隨著應變速率的提高，晶粒變形程度有進一步變大的趨勢。

由圖7a可知，隨著離斷口距離的增加，維氏硬度值顯著下降。應變速率為1s^-1和500s^-1試樣的硬度值相對于未變形試樣的顯著提高，加工硬化效果顯著。由圖7b可知，隨著應變速率的提高，硬度值有一定程度提高。

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結論

1、在本實驗研究的3003鋁合金動態拉伸應力-應變曲線發現：隨著應變速率從1s^-1提高到500s^-1，3003鋁合金的抗拉強度從173N/mm²提高到194N/mm²,屈服強度隨著應變速率增加分為兩階段升高；斷裂應變從27.1%提高到38.2%，塑性顯著增強。

2、動態拉伸應變云圖和拉伸斷口分析表明：斷裂是從試樣中央開始，然后逐步擴展到兩側，縱向、橫向的應變值都隨位置的變化而先增大后減??；斷口形貌隨著應變速率的升高，撕裂棱減少、較大的韌窩直徑增大且數量減少，斷口面積隨應變速率的提高而減小。

3、動態拉伸斷裂試樣的側面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細長，硬度隨應變速率的增大而提高。

服務介紹

國高材分析測試中心依據GB/T 33227-2016標準，配備高速拉伸試驗機和DIC技術系統，可精準測定鋁及鋁合金板帶材在高應變速率下的動態力學性能，包括抗拉強度、延伸率、彈性模量等關鍵參數。試驗涵蓋車身覆蓋件、結構件及軌道交通用鋁材，支持電池殼、高鐵型材等特種材料的應變速率敏感性分析。通過數字化分析，中心可提供高精度應力-應變曲線，為汽車安全仿真、輕量化設計等提供可靠數據支撐。