动力电池壳用铝合金高应变高速率拉伸行为及断裂特性研究

3003铝合金作为低强度汽车动力电池封装材料，其动态力学特性成为汽车受撞击苛刻条件下壳体损伤程度评估，乃至动力电池防泄漏安全设计及管理的关键指标，但相关研究鲜有公开报道。本文研究了不同应变速率下3003铝合金的动态拉伸行为，结合DIC数字图像技术、扫描电镜和显微硬度等，着重分析了动态拉伸过程的变形与断裂特征，为该材料的应用提供一些参考。

从图a、b可知，屈服强度和抗拉强度随应变速率增加呈现两阶段特性，当应变速率小于100 s^-1时，屈服强度和抗拉强度随应变速率增加缓慢增大；当应变速率大于100 s^-1时，应变速率的强化作用增大；随应变速率增加，伸长率也增大。图1c的流变应力-应变曲线表明，3003铝合金不仅具有应变速率敏感性，同时塑性随应变速率提高而增大。

图2所示为选取图1a中A-F点应力150N/mm²下和断裂前的应变云图，并和断裂试样宏观样品照片对比。从图可知，在应力150N/mm²条件下，应变值在标距范围内近似均匀分布；随应变速率提高，应变值下降；图中试样中央区出现了明显的应变集中区；随应变速率的增加，应变集中区影响面积变大。

图3为材料的应变变化曲线，可见，各个应变速率下试样的应变值都随着图2中虚线A、B点的距离增大而先增大后减小，变形程度随应变速率增加而增大；如图a，b，在大塑性变形条件下，横向应变大于纵向应变；图d可以看出纵向条件下的应变变化更大，中部区域应变集中度也更高，表明动态拉伸主要作用于纵向。

图4为典型拉伸速率下断口宏观照片。结合图2a～c断裂前的应力集中分布区和试样断裂宏观照片可知，试样断口分为两大区域，即由于应力集中导致率先开裂的中部区域(Ⅰ区)以及裂纹扩展发生拉伸剪切混合开裂的两端扩展区(Ⅱ区)。

断口形貌主要为大小不一的韧窝和撕裂棱组成；随应变速率增加，小型韧窝增多并长大，撕裂棱上逐渐出现韧窝乃至消失；与Ⅱ区相比，Ⅰ区断口的撕裂棱明显减少，随应变速率增加，韧窝增多，撕裂棱逐渐减少。

拉伸断口侧面的显微组织。可以看出，拉伸前晶粒大小分布不均，拉伸条件下晶粒发生了明显的伸长、变细。随着应变速率的提高，晶粒变形程度有进一步变大的趋势。

由图7a可知，随着离断口距离的增加，维氏硬度值显著下降。应变速率为1s^-1和500s^-1试样的硬度值相对于未变形试样的显著提高，加工硬化效果显著。由图7b可知，随着应变速率的提高，硬度值有一定程度提高。

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结论

1、在本实验研究的3003铝合金动态拉伸应力-应变曲线发现：随着应变速率从1s^-1提高到500s^-1，3003铝合金的抗拉强度从173N/mm²提高到194N/mm²,屈服强度随着应变速率增加分为两阶段升高；断裂应变从27.1%提高到38.2%，塑性显著增强。

2、动态拉伸应变云图和拉伸断口分析表明：断裂是从试样中央开始，然后逐步扩展到两侧，纵向、横向的应变值都随位置的变化而先增大后减小；断口形貌随着应变速率的升高，撕裂棱减少、较大的韧窝直径增大且数量减少，断口面积随应变速率的提高而减小。

3、动态拉伸断裂试样的侧面金相组织和显微硬度分析表明：断口侧面晶粒形状相较于未变形金属的更加细长，硬度随应变速率的增大而提高。