曹東升，姜 珊，何 金，楊志勇，馮小東

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

在汽車工業(yè)中，薄壁梁是組成汽車車身結(jié)構(gòu)的重要零部件，在車身安全結(jié)構(gòu)中起著重要作用。薄壁梁結(jié)構(gòu)的吸能變形行為是車身設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其載荷峰值不能超過后端結(jié)構(gòu)的承載極限[1-2]。鋁合金具有比鋼更高的吸能性及變形穩(wěn)定性，是汽車輕量化的理想材料。其中6×××系鋁合金由于具有較好的加工性能和較高的韌性且強(qiáng)度適中，被廣泛應(yīng)用在汽車吸能盒和縱梁等部件上[3-4]。

本文主要針對(duì)6005A系鋁合金乘用車用縱梁型材，研究不同截面形狀、時(shí)效制度對(duì)其壓潰性能的影響，為優(yōu)化縱梁型材壓潰性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為我公司生產(chǎn)的6005A鋁合金擠壓型材，合金成分見表1。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取3種不同截面形狀（田字形、八邊形和日字形截面） 的6005A 合金進(jìn)行壓潰對(duì)比試驗(yàn)，使用31.5MN 擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。表2為型材擠壓工藝信息。擠壓完成后對(duì)3種斷面分別采用3組不同的制度進(jìn)行時(shí)效，即欠時(shí)效、峰值時(shí)效及過時(shí)效，具體時(shí)效制度及試樣編號(hào)見表3。1-1試樣為1號(hào)斷面時(shí)效處理155℃×8h所得試樣，1-2試樣為1號(hào)斷面時(shí)效處理185℃×7h所得試樣，1-3試樣為1號(hào)斷面時(shí)效處理220℃×2.5h所得試樣，其他試樣編號(hào)以此類推。

表1 6005A合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 型材擠壓相關(guān)參數(shù)

表3 時(shí)效制度及試樣編號(hào)

完成時(shí)效處理后截取拉伸試樣及壓潰試樣，分別在AG-X 100kN H電子萬能試驗(yàn)機(jī)和2000kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能和壓潰檢測。對(duì)比3種斷面經(jīng)過不同時(shí)效制度后的力學(xué)及壓潰性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3種截面（田字形、八邊形和日字形）在不同時(shí)效制度下測得的力學(xué)性能如圖1所示。圖2為各試樣對(duì)應(yīng)的壓潰效果圖。

2.1 時(shí)效制度對(duì)鋁合金壓潰性能的影響

由圖2可知，1號(hào)田字形斷面在過時(shí)效制度下潰縮良好，表面無裂紋，試樣整體形成了多個(gè)完整褶皺，能量有效吸收并均勻傳遞，壓潰效果較好；而在欠時(shí)效及峰值時(shí)效狀態(tài)下則變形不均勻，有開裂現(xiàn)象，壓潰效果較差。2號(hào)八邊形斷面隨著時(shí)效制度的加強(qiáng)，潰縮效果越來越好，褶皺層次越來越分明。欠時(shí)效時(shí)吸能較集中，有細(xì)小裂紋，壓潰效果欠佳；峰值時(shí)效狀態(tài)下壓潰試樣凸起變小，易裂風(fēng)險(xiǎn)降低；過時(shí)效的褶皺較為有層次，能量逐層傳遞。3號(hào)日字形斷面在3種時(shí)效制度處理后進(jìn)行壓潰，所得褶皺均未嚴(yán)重開裂，但兩側(cè)明顯受力不均，在3種時(shí)效制度下該試樣都有不同程度的潰縮偏移。各試樣壓潰吸能數(shù)據(jù)見表4。

總之，同一型材在過時(shí)效（220℃×2.5h）狀態(tài)下壓潰效果較好，試樣表面褶皺完整無裂紋，層疊均勻，吸收能量及能夠承受的最大載荷均高于欠時(shí)效及峰值時(shí)效，受壓潰力作用時(shí)試樣能有效吸能，將外力所做的功轉(zhuǎn)化為變形能。因此可知，汽車薄壁縱梁型材采用過時(shí)效制度時(shí)其壓潰吸能效果最佳。

表4 壓潰吸能數(shù)據(jù)

2.2 截面形狀對(duì)鋁合金壓潰性能的影響

型材截面形狀不同壓潰效果也存在較大差異。由圖2可知，1號(hào)田字形斷面內(nèi)腔中有四根筋，內(nèi)筋起到分散壓潰力且吸能的作用，能量能夠通過內(nèi)筋持續(xù)傳遞，型材具有較好的變形抗力；2號(hào)八邊形斷面由于棱邊較多，能從多方向分擔(dān)壓潰力，變形更加均勻，不易產(chǎn)生裂紋；3號(hào)日字形斷面在壓潰過程中易產(chǎn)生偏移，變形不均勻。

由表4可知，試樣1-3吸收能量為17284.8J，最大載荷246793N，為9個(gè)試樣中壓潰效果最好的截面。對(duì)比不同截面形狀壓潰效果圖可知，截面形狀對(duì)壓潰性能有較大影響，直接決定受到撞擊力后能量的傳遞與吸收，因此優(yōu)化汽車縱梁截面設(shè)計(jì)至關(guān)重要。田字形及八邊形吸收能量較大，具有較好的抗撞擊能力。其中1號(hào)田字形截面在過時(shí)效狀態(tài)下所得的1-3試樣經(jīng)壓潰后，褶皺最多且均勻，吸能最多，壓潰效果最好，最適合作為汽車薄壁梁型材。

2.3 力學(xué)性能與壓潰效果的關(guān)聯(lián)性

結(jié)合圖1和圖2可知，1、2號(hào)斷面在過時(shí)效狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均較小，斷后延伸率較好，壓潰效果較好，潰縮褶皺均勻且不開裂。由此可知，同一合金其力學(xué)性能的不同對(duì)壓潰效果有一定影響。

欠時(shí)效狀態(tài)下，強(qiáng)化相β相析出不充分，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙較弱，型材表現(xiàn)為較低強(qiáng)度，較高塑性；峰值時(shí)效時(shí)，β相顆粒彌散析出較多，對(duì)位錯(cuò)阻礙作用加強(qiáng)，故強(qiáng)度大幅度提高。但當(dāng)時(shí)效溫度繼續(xù)升高，達(dá)到過時(shí)效狀態(tài)時(shí)，原本彌散析出的β相顆粒聚集長大的趨勢增大，長大的β相削弱了其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，導(dǎo)致型材力學(xué)性能下降。研究證明，適當(dāng)?shù)倪^時(shí)效處理后，材料組織和零件尺寸的穩(wěn)定性將大幅度提升[5]。然而當(dāng)過時(shí)效嚴(yán)重時(shí)，6005A縱梁型材的綜合力學(xué)性能會(huì)明顯下降。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于汽車用6005A吸能型材而言，當(dāng)強(qiáng)度較大、斷后延伸率較小時(shí)，吸能效果較差，受撞擊后型材容易沿邊角處開裂，無法保證車體受碰撞時(shí)吸收能量，保護(hù)車內(nèi)人員安全。故汽車縱梁型材需要具有較好的綜合力學(xué)性能，當(dāng)受到撞擊時(shí)，薄壁梁能夠逐層變形吸能但不向內(nèi)占據(jù)更多空間，沖擊力能夠沿車身均勻傳遞，避免對(duì)車內(nèi)造成沖擊擠壓，從而保護(hù)人員安全。作為汽車薄壁梁型材，6005A合金經(jīng)220℃×2.5h時(shí)效處理后其綜合力學(xué)性能較好，吸能效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）同一型材在過時(shí)效（220℃×2.5h）制度下的綜合力學(xué)性能較好，壓潰吸能效果強(qiáng)于欠時(shí)效及峰值時(shí)效狀態(tài)。

（2）型材的截面形狀不同壓潰效果也不同。田字形6005A型材壓潰吸能效果較好，因其能量可有效傳遞，褶皺均勻，棱邊不開裂，故較適合用作汽車縱梁，減緩沖擊力傷害，保護(hù)車內(nèi)人員安全。

（3）型材的力學(xué)性能對(duì)壓潰效果的影響也較大。當(dāng)強(qiáng)度較大、斷后延伸率較小時(shí)，型材受撞擊易開裂，吸能較差；當(dāng)強(qiáng)度適中，斷后延伸率較好即韌性好時(shí)，其相應(yīng)的壓潰吸能效果較好。