鋁合金力學(xué)熔點測試方法-編制說明VIP

1、國家標(biāo)準(zhǔn)鋁合金力學(xué)熔點測試方法編制說明標(biāo)準(zhǔn)起草組2020年 3 月12日目錄1工作簡況.11.1制修訂本標(biāo)準(zhǔn)的方法概述及立項目的.11.1.1制修訂本標(biāo)準(zhǔn)的必要性.11.1.2適用范圍 .81.1.3可行性分析 .81.1.4擬要解決的主要問題 .91.2標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)來源 .101.3編制單位、起草人及其所作工作.101.4編制過程 .101.4.1調(diào)研與試驗工作簡介 .錯誤 !未定義書簽。1.4.2工作會議 .錯誤 !未定義書簽。2標(biāo)準(zhǔn)編制原則 .112.1標(biāo)準(zhǔn)研究的預(yù)期目標(biāo) .112.2主要技術(shù)路線 .113標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定依據(jù).124標(biāo)準(zhǔn)水平分析 .145與現(xiàn)行法律、法規(guī)、強(qiáng)制性國家標(biāo)

2、準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)配套情況. 156標(biāo)準(zhǔn)中如涉及專利，應(yīng)有明確的知識產(chǎn)權(quán)說明.157重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù).158標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性或推薦性國家（或行業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)的建議.159貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議.1510廢止現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議.1611技術(shù)先進(jìn)性、創(chuàng)新性、標(biāo)準(zhǔn)實施的預(yù)期作用和效益.16鋁合金力學(xué)熔點測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明1 工作簡況1.1 制修訂本標(biāo)準(zhǔn)的方法概述及立項目的制修訂本標(biāo)準(zhǔn)的必要性鋁合金比強(qiáng)度高、成形性好、耐蝕性強(qiáng)以及優(yōu)異的焊接性等特點，是輕量化設(shè)計的首選材料，廣泛應(yīng)用于軌道交通、汽車、航天航空、船舶等領(lǐng)域。焊接作為輕量化最重要的材料加工技術(shù)之一，牽涉到傳熱傳質(zhì)、熔化凝固、組織演

3、變、塑性變形、流體流動等復(fù)雜的熱學(xué)、冶金學(xué)和力學(xué)現(xiàn)象的多場耦合過程。鋁合金焊接接頭經(jīng)歷焊接熱循環(huán)，導(dǎo)致微觀組織、 力學(xué)性能以及幾何特征的不均勻性，同時由于焊接變形及殘余應(yīng)力的存在， 影響焊接結(jié)構(gòu)后續(xù)的裝配及尺寸穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)的承載能力、疲勞壽命以及抗腐蝕性能等。在軌道交通領(lǐng)域， 尤其是高速列車車體關(guān)鍵部件， 均采用鋁合金型材或板材焊接拼裝而成， 高速列車的車頂、側(cè)墻、底架等采用 A6N01鋁合金型材焊接而成，枕梁、抗蛇形減振器座等采用 A7N01 鋁合金型材和板材焊接而成，車頭采用 6082 鋁合金焊接而成。焊接變形將會影響后續(xù)的裝配，比如車頂和側(cè)墻的拼裝、 枕梁的安裝等，它們對尺寸精度要求

4、高， 實際生產(chǎn)采用反變形措施、 焊后矯形處理等方法控制焊接變形，但是必須準(zhǔn)確掌握焊接變形的大小及分布特征， 科學(xué)合理地制定焊接變形控制工藝； 高鐵運(yùn)行自然環(huán)境復(fù)雜， 涉及冰雪覆蓋的高寒地帶、高寒風(fēng)沙區(qū)、 熱帶海島等，這對車體結(jié)構(gòu)服役可靠性提出了更高的要求。焊接殘余應(yīng)力的存在將會影響鋁合金車體結(jié)構(gòu)的服役性能（如應(yīng)力腐蝕性能、疲勞壽命等） ，圖 1 是高速列車枕梁的疲勞失效。因此，掌握高速列車車體關(guān)鍵部位的焊接殘余應(yīng)力分布與演1變規(guī)律，為評價和提高車體結(jié)構(gòu)服役可靠性提供關(guān)鍵支撐數(shù)據(jù)。圖 1 車體枕梁疲勞裂紋在船舶領(lǐng)域， 主船體的主要部件和上層建筑關(guān)鍵部件， 鋁合金板材和板材、板材和型材之間大多采用

5、焊接拼裝而成， 一般船用鋁合金主船體采用 5083 和 5086 等鋁合金板材焊接而成， 高端艦船和高速游艇等采用 5059 和 5456 等鋁合金板材焊接而成， 在船體上層建筑和直升機(jī)平臺采用 6082 和 6061 型材焊接而成， LNG 船罐體采用 5083-O 鋁合金板材和型材焊接而成。 船舶上層結(jié)構(gòu)中舷窗常用的鋁合金型材為 6063 鋁合金，桅桿、舷梯常使用 6063 與 6061 鋁合金型材。船體結(jié)構(gòu)中鋁 -鎂系合金應(yīng)用率較高，由于鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約是鋼的 2 倍，凝固時體積收縮率約為 6%7%，因此焊接過程中往往會由于較大的收縮內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致某些焊接裂紋。 另外鋁合金的彈性模

6、量約是鋼的 1/3，剛性較差，在相同的結(jié)構(gòu)條件下，鋁合金構(gòu)件的焊接變形要比鋼大得多。船舶運(yùn)行環(huán)境差，周期長，長期涉水，經(jīng)常?？颗鲎玻Ｉ蠚夂蚨嘧?，這對船體體結(jié)構(gòu)服役可靠性提出了更高的要求。焊接殘余應(yīng)力的存在將會影響鋁合金車體結(jié)構(gòu)的服役性能 （如應(yīng)力腐蝕性能、疲勞壽命等）。2在航天航空領(lǐng)域， 鋁合金焊接是連接技術(shù)中的一部分，是制造技術(shù)的重要組成部分，同時也是航空飛機(jī)、航空航天發(fā)動機(jī)、容器、管路和一些精密器件制造中不可缺少的技術(shù)。 在航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)和航天器的研制和生產(chǎn)中，鋁合金焊接技術(shù)已經(jīng)成為主導(dǎo)工藝方法之一。焊接技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展不僅能夠減輕飛機(jī)、 發(fā)動機(jī)的重量， 而且還為航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)以及航

7、天器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持， 促進(jìn)航空飛機(jī)、發(fā)動機(jī)性能的提高。 用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘進(jìn)行鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造從而減輕飛機(jī)機(jī)身重量近 20，提高強(qiáng)度近 20。在飛機(jī)蒙皮、壁板的制造中 , 大量采用鋁合金等材質(zhì)的薄壁焊接結(jié)構(gòu)，蒙皮與骨架組成的 T 型連接結(jié)構(gòu)件成為設(shè)計的主流， 這類結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度高 , 可以提高產(chǎn)品的有效載荷系數(shù)。 空中客車公司經(jīng)過 8 年努力，成功地采用激光焊接技術(shù)代替鉚接技術(shù)，實現(xiàn)了A340 飛機(jī)的全部鋁合金內(nèi)隔板的激光加工，使機(jī)身的重量減輕了18，制造成本降低了近 25，隨后又將激光焊接加工技術(shù)推廣應(yīng)用到A318、A380 飛機(jī)。航天儲箱結(jié)構(gòu)是航天運(yùn)載器(火箭、航天飛

8、機(jī)、導(dǎo)彈等)的重要部件，儲存燃料并承受全部的結(jié)構(gòu)載荷。我國早期采用Al-Mg系合金5A03、5A06 作為第一代儲箱結(jié)構(gòu)材料，該材料是采用鎢極氬弧焊單面焊雙面成形的方法焊接。 到今天儲箱材料已經(jīng)發(fā)展到了第 3 代鋁鋰合金，其關(guān)鍵制造工藝 焊接技術(shù)一直延續(xù)。 但是由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)大和散熱速率快的特殊性， 在構(gòu)件焊接中易出現(xiàn)殘余應(yīng)力和焊后變形量問題。 焊接應(yīng)力與變形是決定焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠性的重要因素。 焊件中若是有較大的應(yīng)力與變形存在， 會導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生裂紋缺陷， 焊接應(yīng)力與變形還會對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性和形狀尺寸精度產(chǎn)生不利的影響。 因此，掌握焊接應(yīng)力與變形分布及

9、變化規(guī)律， 采取合理恰當(dāng)?shù)拇胧┫c控制， 對于焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造工藝有重要意義。 以機(jī)翼壁板為例， 其裝焊后運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，在萬米高空的低溫低壓環(huán)境及高溫的熱帶海島等， 對裝配后的3尺寸精度、應(yīng)力腐蝕、疲勞壽命及斷裂韌性要求極高， 獲得機(jī)翼壁板的裝配過程中關(guān)鍵部位的殘余應(yīng)力分布與演變規(guī)律， 可為評價和提高飛機(jī)服役可靠性提供關(guān)鍵支撐數(shù)據(jù)。圖 2 機(jī)翼焊接在能源緊缺和環(huán)境污染嚴(yán)重的形勢下， 汽車輕量化的研發(fā)已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 由于鋁合金輕量化效果明顯， 并具有質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、 耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著優(yōu)點，促使鋁合金在車身上的應(yīng)用逐步擴(kuò)大。用于汽車車身板的鋁合金主要有2

10、000 系、5000 系、6000 系、7000 系合金。其中 5000 系、6000 系最適合代替鋼板。 5000 系（ Al-Mg ）是熱處理不可強(qiáng)化合金，通過 Mg 元素產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)， 使其成形性和抗腐蝕性能提高， 但該系合金只能采用加工硬化方式來提高強(qiáng)度。 使用狀態(tài)多為退火態(tài)， 常用于汽車內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位，如汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)蓋板。 6000 系合金能在淬火后較低屈服狀態(tài)下供貨， 具有良好的沖壓性能， 并能在最終的烤漆處理中進(jìn)一步實現(xiàn)強(qiáng)化，適用于外板等強(qiáng)度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。目前使用較多的 6000 系合金主要有 AA6111、AA6022（北美車企使用），AA

11、6016（歐洲車企使用），AA6016 、AA6022 、AA6111（日本車企使用）。鋁合金汽車板在軋制過程、沖壓過程、熱處理過程及后續(xù)焊接成形過程中均會引入殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力的存在會引起變形，這將降低汽車板的尺寸精度和板形質(zhì)量。 同時汽車板中的殘余應(yīng)力也會降低材料的耐腐蝕性。 車架在焊接時， 由于加熱和冷卻不均勻、焊縫的收縮、焊縫的剛性和約束都會導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，4引起整個車架的變形。 圖 3 提供了由于焊接殘余應(yīng)力造成的裂紋與變形。圖 3 汽車領(lǐng)領(lǐng)域鋁合金在兵器工業(yè)領(lǐng)域， 鋁合金一直是兵器工業(yè)中重要的金屬材料，是武器輕量化的首選輕質(zhì)材料，在軍用戰(zhàn)車、高強(qiáng)鋁合金彈殼、鋁合金裝甲、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)

12、彈發(fā)動機(jī)殼體以及各種輕武器上都有廣泛的應(yīng)用，特別在現(xiàn)代戰(zhàn)爭對裝甲車輛的防護(hù)和生存能力提出了更高的要求，不僅要有良好的抗彈性能，而且還要經(jīng)受不同地形、 環(huán)境和氣候條件的考驗，甚至能夠水路兩用、 空運(yùn)空投，達(dá)到裝甲車輛防護(hù)性能和使用性能的最大化。裝甲車輛鋁合金基體一般采用焊接連接，即將裝甲板、鍛件、擠壓件、鑄件焊接組成一個整體。因此，裝甲鋁合金材料必須具有較好的焊接性能。 現(xiàn)有的裝甲鋁合金板材一般為厚板，焊接后容易存在較大的殘余應(yīng)力，使用過程中有不同程度的應(yīng)力腐蝕誘發(fā)裂紋或者疲勞破壞傾向。一般焊接完成后采取固溶處理，進(jìn)行預(yù)拉伸以消除殘余應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力，或使殘余應(yīng)力重新分布，達(dá)到減少變形和降低零部件的

13、應(yīng)力腐蝕或疲勞失效傾向。同時焊接時采用分段焊接的方法，用以抵消焊接應(yīng)力，并且可以通過噴丸處理在具有殘余拉應(yīng)力的表面或焊5縫上形成壓應(yīng)力，以抵消容易造成應(yīng)力腐蝕裂紋的拉伸應(yīng)力。另外，裝甲車輛作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜， 其并且不像其他領(lǐng)域裝備有固定的服役路線，作為國防裝備主力軍哪里需要就會在哪里服役， 北方寒冷、南方濕熱、沿海腐蝕等等都對裝甲車輛服役可靠性提出更高的需求， 而焊接殘余應(yīng)力作為影響鋁合金裝甲車輛可靠性的關(guān)鍵影響因素之一， 需要我們充分的了解并掌握焊接過程中的應(yīng)力分布和演變規(guī)律， 為評價和不斷提高裝甲車輛服役可靠性提供技術(shù)支撐。全面準(zhǔn)確地評估焊接變形和殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測以及完整性評估具有重

14、要的影響。 目前殘余應(yīng)力評估方法主要有測量法和數(shù)值模擬法，測量法包括盲孔法、 X 射線法、超聲波法、中子衍射法、深孔法等，每種方法均有它的優(yōu)點及不足之處，而且測量法周期長、費用高，很難全面地反映整個結(jié)構(gòu)件的整體應(yīng)力分布。 采用科學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)和少量的試驗驗證相結(jié)合的方法，將研究模式從 “理論 試驗 生產(chǎn) ”轉(zhuǎn)變?yōu)?“理論 計算機(jī)模擬 生產(chǎn) ”，是當(dāng)今信息時代發(fā)展的趨勢，在新產(chǎn)品設(shè)計、 工藝制定及優(yōu)化、 結(jié)構(gòu)安全性評估等方面提供重要支持， 不僅節(jié)約大量人力物力， 而且提高焊接熱加工的科學(xué)水平。焊接變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于殘余壓縮塑性應(yīng)變所導(dǎo)致的，在焊接數(shù)值模擬中將高溫非彈性應(yīng)變當(dāng)作壓縮塑性應(yīng)

15、變進(jìn)行處理， 這種做法往往是錯誤的， 影響焊接變形及殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因為溫度超過某一溫度后，材料將發(fā)生蠕變、塑性恢復(fù)和再結(jié)晶過程，非彈性應(yīng)變不再發(fā)生應(yīng)變硬化， 前期加熱產(chǎn)生的應(yīng)變硬化由于塑性恢復(fù)和再結(jié)晶過程而消失。 因此，在焊接數(shù)值模擬中必須考慮高溫非彈性應(yīng)變，通常設(shè)置一個溫度， 即力學(xué)熔點，當(dāng)焊接溫度達(dá)到并超過力學(xué)熔點時，高溫累積塑性應(yīng)變清零， 當(dāng)溫度冷卻到力學(xué)熔點后，塑性恢復(fù)。在已有的研究中， 力學(xué)熔點的確定均采用假設(shè)法。 在焊接數(shù)值模擬準(zhǔn)確性研究方面， 早在 2001 年歐洲啟動了 NET 項目，采用數(shù)值模6擬和試驗測試技術(shù)相結(jié)合， 對焊接過程熱源模型、硬化模型、力學(xué)熔點、

16、相變模型等進(jìn)行了敏感性研究，經(jīng)過十多年的驗證和改進(jìn)，規(guī)范了焊接數(shù)值模擬過程， 提高了焊接數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。 但是關(guān)于力學(xué)熔點方面，均采用假設(shè)法。針對 316L 不銹鋼的力學(xué)熔點溫度覆蓋范圍從 800°C 到 1400°C，不同研究者分歧較大。假設(shè)力學(xué)熔點分別為 800°C 和 1400°C 時計算的橫向和縱向殘余應(yīng)力比較見圖2。從圖中可以看出，力學(xué)熔點越高，模擬的殘余應(yīng)力越高，尤其是縱向殘余應(yīng)力。圖 2 沿焊縫縱向焊縫中心表面下2mm 位置的模擬值與實測值關(guān)于鋁合金焊接數(shù)值模擬， 目前國內(nèi)外的研究主要側(cè)重于材料軟化、硬化模型的研究，而對鋁合金的力學(xué)熔

17、點并未關(guān)注。中車青島四方機(jī)車車輛四方股份有限公司與上海交通大學(xué)合作， 開展了告訴列車常用鋁合金力學(xué)熔點對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響進(jìn)行了敏感性分析，發(fā)現(xiàn)力學(xué)熔點值越大，變形值越大（見圖 3），殘余應(yīng)力峰值越高，峰值應(yīng)力的位置也發(fā)生變化（見圖 4）。因此，開展鋁合金力學(xué)熔點測試方法的研究， 提高焊接數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性， 具有重要的研究意義和工程應(yīng)用價值。國家 “十三五 ”發(fā)展戰(zhàn)略提出， 到 2020 年形成足以支撐國家 “一帶一路 ”、“走出去 ”和“制造強(qiáng)國 ”戰(zhàn)略、滿足全球市場需求的國際化軌道交通技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、 裝備和服務(wù)能力體系。目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于材料力學(xué)熔點的測試方法及標(biāo)準(zhǔn)， 因此開展鋁

18、合金力學(xué)熔點測試方法研7究并形成測試標(biāo)準(zhǔn)，符合國家“十三五 ”發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。（ a） 630°C（ b）510°C圖 3 力學(xué)熔點對變形的影響圖 4 力學(xué)熔點對殘余應(yīng)力的影響適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)適用于鋁合金的力學(xué)熔點測試，以用于鋁合金熱加工過程（如焊接、熱處理等）的數(shù)值模擬，提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?？尚行苑治鲋熊嚽鄭u四方機(jī)車車輛股份有限公司前期開展了高速列車鋁合金力學(xué)熔點測試技術(shù)研究，針對 A6N01、A7N01、6082 和 5083 鋁合金，進(jìn)行了力學(xué)熔點測試熱循環(huán)特征參數(shù)的研究、 試樣尺寸規(guī)范的研究、均溫區(qū)評估方法的研究、 力學(xué)熔點測

19、試方法及數(shù)據(jù)有效性評判方法的研究、力學(xué)熔點驗證方法的研究等， 積累豐富的測試經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析方法，為本標(biāo)準(zhǔn)的順利制定提供了技術(shù)支持。采用科學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)和少量的試驗驗證相結(jié)合的方法， 將研究模式從 “理論 試驗 生產(chǎn) ”轉(zhuǎn)變?yōu)?“理論 計算機(jī)模擬 生產(chǎn) ”，是8當(dāng)今信息時代發(fā)展的趨勢， 在新產(chǎn)品設(shè)計、工藝制定及優(yōu)化、結(jié)構(gòu)安全性評估等方面提供重要支持，不僅節(jié)約大量人力物力， 而且可以提高熱加工的科學(xué)水平，實現(xiàn)智能熱制造。本標(biāo)準(zhǔn)的制定為數(shù)值模擬技術(shù)提供可靠的材料力學(xué)本構(gòu)模型測試方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有假設(shè)法不足，提高數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，為數(shù)值模擬技術(shù)在軌道交通、 航天航空、汽車、船舶等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了

20、重要的理論支撐，同時也為本標(biāo)準(zhǔn)的推廣提供了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。擬要解決的主要問題本標(biāo)準(zhǔn)為國內(nèi)首次提出，開展鋁合金力學(xué)熔點測試方法的研究，解決現(xiàn)有數(shù)值模擬中力學(xué)熔點假設(shè)法的不足。圍繞力學(xué)熔點測試， 開展以下幾方面的研究：熱循環(huán)特征參數(shù)的確定焊接熱循環(huán)是指在焊接過程中熱源沿焊件移動時， 焊件上某點的溫度由低到高，達(dá)到最高值后，又由高到低這一隨時間變化的過程，其特征是加熱和冷卻速率快， 溫度梯度大，主要特征參數(shù)包括加熱速率、峰值溫度、冷卻速率等，為了準(zhǔn)確模擬焊接熱循環(huán)過程，需要開展熱循環(huán)特征參數(shù)確定方法的研究，作為熱模擬試驗的輸入?yún)?shù)。試樣尺寸規(guī)范的制定鋁合金焊接過程中，加熱速率一般在 150°

21、;C/s300°C/s，而試樣平行段長度、截面積大小不僅影響試樣的加熱速率， 而且影響試樣的整個剛性，在強(qiáng)制約束條件下，可能產(chǎn)生彎曲變形，影響應(yīng)力應(yīng)變的演化規(guī)律。因此，為了準(zhǔn)確真實地模擬焊接過程，需要規(guī)范力學(xué)熔點測試試樣的尺寸， 確保試驗尺寸滿足加熱速率的要求， 也能保證試樣不發(fā)生彎曲變形。均溫區(qū)的研究在力學(xué)熔點數(shù)值模擬驗證中， 采用熱彈塑性有限元法模擬熱模擬試驗過程，需要確定均溫區(qū)的大小， 施加溫度載荷，確保模擬的溫度9場與實際的溫度場具有較好的吻合性， 比較熱模擬試驗過程應(yīng)力演化計算值與實測值，從而驗證鋁合金力學(xué)測試結(jié)果的可靠性。力學(xué)熔點測試規(guī)范及數(shù)據(jù)有效性判定方法基于熱循環(huán)特征

22、參數(shù)、 試樣尺寸規(guī)范以及均溫區(qū)的研究， 建立鋁合金力學(xué)熔點測試規(guī)范， 提出力學(xué)熔點測試數(shù)據(jù)的有效性評價方法以及力學(xué)熔點計算方法。1.2 標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)來源根據(jù) “國家標(biāo)準(zhǔn)委關(guān)于下達(dá) 2018 年第三批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃的通知 ”（國標(biāo)委綜合 201860 號，計劃編號： 20181996-T-610，第494 項）要求，鋁合金力學(xué)測試方法由全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會提出并歸口， 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司起草， 上海交通大學(xué)、山東南山鋁業(yè)股份有限公司、 國合通用測試評價認(rèn)證股份公司、中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所、 龍口市叢林鋁材有限公司、廣西南南鋁加工有限公司、中車唐山機(jī)車車輛有限公

23、司、東北輕合金有限責(zé)任公司等單位共同參編，本標(biāo)準(zhǔn)計劃于2020 年 6 月份完成。標(biāo)準(zhǔn)的性質(zhì)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)。1.3 編制單位、起草人及其所作工作中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)起草單位， 主要工作包括：聯(lián)絡(luò)各參編單位，落實各單位聯(lián)系人，初步制定編制組構(gòu)成及分工等；組織召開標(biāo)準(zhǔn)編制啟動會和工作會議； 起草鋁合金力學(xué)測試方法推薦國家標(biāo)準(zhǔn)建議書、標(biāo)準(zhǔn)草案、標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿、編制說明等。1.4 編制過程根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會 “關(guān)于下達(dá) 2018 年第三批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃的通知”（國標(biāo)委綜合201860 號，計劃編號：1020181996-T-610，第 494 項）要求，中車青島四方機(jī)車車輛股份

24、有限公司起草，上海交通大學(xué) 單位參編。2 標(biāo)準(zhǔn)編制原則2.1 標(biāo)準(zhǔn)研究的預(yù)期目標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)建立熱循環(huán)特征參數(shù)確定方法、 力學(xué)熔點測試試樣尺寸規(guī)范、均溫區(qū)確定方法、力學(xué)熔點測試方法以及數(shù)據(jù)有效性判斷方法、力學(xué)熔點計算方法等，形成鋁合金力學(xué)熔點測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)值模擬的精準(zhǔn)建模，有助于數(shù)值模擬技術(shù)的推廣和應(yīng)用。2.2 主要技術(shù)路線本標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線如圖 5 所示，通過溫度測試或者數(shù)值模擬方法，獲得鋁合金焊接特定預(yù)設(shè)溫度的熱循環(huán)曲線， 采用分段加熱的方法確定熱循環(huán)特征參數(shù)；以 550°C 的熱循環(huán)特征參數(shù)作為試樣尺寸規(guī)范的熱循環(huán)條件，建立試樣尺寸規(guī)范的評價方法和指標(biāo)， 確定試樣尺寸范圍；采

25、用試驗測試或熱電耦合數(shù)值模擬方法， 確定試樣的均溫區(qū)尺寸。通過熱循環(huán)特征參數(shù)、 試樣尺寸規(guī)范及均溫區(qū)的確定， 建立力學(xué)熔點測試方法，分別針對軌道交通用鋁合金、航天航空用鋁合金、汽車用鋁合金、船舶用鋁合金、兵器工業(yè)用鋁合金等進(jìn)行力學(xué)熔點測試，建立測試數(shù)據(jù)有效性評價方法和力學(xué)熔點計算方法， 最終形成鋁合金力學(xué)熔點測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。11圖 5 技術(shù)路線3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定依據(jù)針對本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定依據(jù)，進(jìn)行逐點說明：試驗機(jī)應(yīng)保證最大加熱速率不低于300°C/s。熱加工過程中， 以焊接為例，焊接是一個局部快速加熱隨后快速冷卻的過程，距離焊縫中心的越近，加熱速率越快，其加熱速率范

26、圍一般在 100°C/s300°C/s。因此，為了準(zhǔn)確模擬焊接熱循環(huán)過程，試驗機(jī)應(yīng)保證最大加熱速率不低于300°C/s。6.1 形狀與尺寸試樣的形狀和尺寸參考 GB/T 228.1金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法和 GB/T 228.2金屬材料 拉伸試驗 第 2 部分：高溫試驗方法確定，同時根據(jù)試驗要求進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：熱模擬試驗中，試樣兩端剛性固定，因此，選擇帶圓孔的矩形試樣，夾具上安裝一個固定銷，通過固定銷及夾具作用，使得試樣在加熱冷卻過程中不會發(fā)生移動。12試樣的尺寸需要滿足兩個條件： （1）滿足加熱速率的要求，即在熱模擬試樣中，實測的加熱速

27、率與預(yù)設(shè)的加熱速率應(yīng)一致； （2）由于試樣為剛性固定， 加熱冷卻過程，試樣不能發(fā)生彎曲變形。為了滿足以上兩個條件， 編制組開展了力學(xué)熔點測試試樣尺寸規(guī)范試驗， 設(shè)計了 3 種厚度、 13 種尺寸的試樣，通過 8 種鋁合金材料的試驗驗證，獲得了規(guī)范試樣尺寸，在標(biāo)準(zhǔn)中提供了試樣推薦尺寸。試樣規(guī)范尺寸的試驗驗證結(jié)果見 鋁合金力學(xué)熔點測試方法試驗驗證報告，試驗結(jié)果表明，提出 k 型、 l 型和 m 型三種試樣尺寸均能滿足尺寸規(guī)范的要求。7.3 熱循環(huán)特征參數(shù)的確定熱循環(huán)是指在熱加工過程中工件上某點的溫度由低到高， 達(dá)到最高值后，又由高到低這一隨時間變化的過程，其特征是加熱速率高，高溫停留時間很短， 主

28、要特征參數(shù)包括加熱速率、 最高溫度和冷卻速率等。為了準(zhǔn)確模擬熱循環(huán)過程，需要獲得熱循環(huán)曲線，確定熱循環(huán)的主要特征參數(shù)，作為熱模擬試驗機(jī)的基本輸入?yún)?shù)。為了防止熱模擬試驗溫度過高， 提出了分段加熱的方法， 將加熱階段分為兩階段， 確定了兩階段的熱循環(huán)特征參數(shù)及其相關(guān)性， 具體試驗驗證結(jié)果見鋁合金力學(xué)熔點測試方法試驗驗證報告 。7.5 均溫區(qū)確定在力學(xué)熔點數(shù)值模擬驗證中， 采用熱彈塑性有限元法模擬熱模擬試驗過程，需要確定均溫區(qū)的大小， 施加溫度載荷，確保模擬的溫度場與實際的溫度場具有較好的吻合性。均溫區(qū)的確定方法包括試驗測試法和熱電耦合數(shù)值模擬。 本標(biāo)準(zhǔn)提出了試驗測試法， 即在熱模擬試驗中， 將一

29、個熱電偶點焊在試樣的中心，另外兩個熱電偶點焊在距離試樣中心一定距離的地方， 根據(jù)每個熱電偶測試的最高溫度， 建立最高加熱溫度與試樣中心距離之間的關(guān)系，通過非線性擬合，計算 Tmax-5 °CTmax 溫度范圍的距離作為均13溫區(qū)尺寸。編制組為了驗證測試法的可靠性， 針對 8 種鋁合金開展了均溫區(qū)試驗，具體驗證結(jié)果見鋁合金力學(xué)熔點測試方法試驗驗證報告 。7.6 力學(xué)熔點測試力學(xué)熔點測試的溫度范圍選擇 200550，對于鋁合金材料，屈服溫度一般超過 200，因此，如果選擇溫度低于 200，熱模擬試驗后的殘余應(yīng)力一般為零， 而且無法確定屈服溫度和屈服應(yīng)力。 溫度超過 550，鋁合金已經(jīng)完全

30、固熔，隨著溫度的增加，殘余應(yīng)力基本沒有變化，而且隨著溫度的增加， 點焊的熱電偶在試驗過程中容易脫落。試驗前采用塞尺和游標(biāo)卡尺測量試樣的撓曲變形、 試樣平行段的厚度和寬度，根據(jù)試樣尺寸公差評判試樣是否合格， 以確保熱模擬試驗過程，試樣不發(fā)生彎曲變形以及試驗結(jié)果的重復(fù)性。試驗測試結(jié)果是隨機(jī)離散的， 為了評價試驗結(jié)果的可靠性和重復(fù)性，編制組設(shè)定每個預(yù)設(shè)峰值溫度測試試樣數(shù)應(yīng)不少于5 個，提出了以 95%的置信度評價力學(xué)熔點測試結(jié)果的可靠性， 同時提出以屈服溫度、屈服應(yīng)力和殘余應(yīng)力三個因子同時滿足 95%的置信區(qū)間，確定力學(xué)測試結(jié)果的有效性。 同時，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了“如果有試樣不在置信度區(qū)間，應(yīng)雙倍取樣進(jìn)行

31、補(bǔ)測，確保 5 個試樣數(shù)據(jù)在置信度區(qū)間” ，提高了力學(xué)熔點測試結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。鋁合金力學(xué)熔點測試及數(shù)據(jù)有效性判斷見 鋁合金力學(xué)熔點測試方法試驗驗證報告。4 標(biāo)準(zhǔn)水平分析本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)我國市場情況首次制定。 本標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)收集和測試工作， 同時兼顧了軌道車輛、 船舶、航天航空、汽車、兵器等領(lǐng)域的常用鋁合金型材和板材。通過文獻(xiàn)檢索、 網(wǎng)上查詢，國內(nèi)外沒有關(guān)于鋁合金力學(xué)熔點測試14方法的相關(guān)國家、 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用科學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)和少量的試驗驗證相結(jié)合的方法，將研究模式從 “理論 試驗 生產(chǎn) ”轉(zhuǎn)變?yōu)?“理論計算機(jī)模擬 生產(chǎn) ”，是當(dāng)今信息時代發(fā)展的趨勢， 在新產(chǎn)品設(shè)計、工藝制

32、定及優(yōu)化、 結(jié)構(gòu)安全性評估等方面提供重要支持， 不僅節(jié)約大量試驗所需人力物力， 而且提高焊接熱加工的科學(xué)水平。 在許多數(shù)值模擬的文獻(xiàn)中， 研究人員采用假設(shè)法設(shè)置材料力學(xué)熔點， 影響了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性， 因此迫切需要制定該方法的國家標(biāo)準(zhǔn)， 對力學(xué)熔點測試做出規(guī)范。綜上所述，本標(biāo)準(zhǔn)的綜合水平達(dá)到國際先進(jìn)水平5 與現(xiàn)行法律、法規(guī)、強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)配套情況無。6 標(biāo)準(zhǔn)中如涉及專利，應(yīng)有明確的知識產(chǎn)權(quán)說明無。7 重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無。8 標(biāo)準(zhǔn)作為強(qiáng)制性或推薦性國家（或行業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)的建議建議本標(biāo)準(zhǔn)作為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)。9 貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議 組織措施 技術(shù)措施 過渡辦法1510 廢止現(xiàn)行有