铝合金疲劳性能的研究进展
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  简介:《金属世界》依托于中国金属学会、中国有色金属学会,以报道中国冶金、有色金属及金属加工工业发展的历史、现状和未来,普及其有关生产和加工方面的科学知识,展示和推动金属领域科学技术成果转化,介绍冶金、有色金属和金属加工行业的新技术、新设备、新工艺、新产品和新经验为宗旨的科技期刊。

  本文对铝合金疲劳性能的研究进展进行了全面综述,介绍了疲劳裂纹萌生、扩展与失稳阶段各自的机理及对铝合金构件的影响,以及对疲劳裂纹的影响因素和疲劳寿命的估算方法,最后指出今后铝合金疲劳行为的微观机制、提升疲劳性能的方法及疲劳寿命的准确预测等研究方向。

  铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,其密度低,比强度高,同时具备优良的导热性、耐蚀性、焊接及加工等性能,随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的一直在改进,其力学性能被大幅度强化,综合性能也得到了全面提升,在机械工程、交通运输、化学工业及航空航天等领域大量应用[1]。但存在另一负面现象引人关注,铝合金设备有时会出现难以检测和预防的疲劳断裂,之前观察不到明显的塑性变形,而且这一现象在所有的领域都屡见不鲜,这种突然断裂的失效形式往往造成灾难性的事故,严重威胁人的生命和财产。这种危险的断裂形式由材料的疲劳引起,材料经过交变应力和应变的长期作用,表面或内部会产生微观裂纹,累积损伤使裂纹达到临界尺寸后,构件在没办法承受某一次应力时突然断裂,称这一过程为疲劳。由于疲劳破坏是铝合金设备失效的根本原因之一,又容易给工程带来难以预料的危险,造成重大事故,所以对铝合金疲劳特性的研究具备极其重大意义。

  疲劳破坏是循环应力、应变引起的延时断裂,其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度σb,甚至低于其屈服强度σs,一般不发生明显的塑性变形,呈现脆性的突然断裂,是一种很危险的失效形式,难以检测和预防。铝合金疲劳破坏属于金属疲劳,按破坏原因大致分为热疲劳、腐蚀疲劳和机械疲劳三类。

  热疲劳是由于在循环热应力和热应变作用下产生的疲劳破坏。外部约束和内部约束是产生热疲劳的两个必要条件,外部约束即阻碍材料自由膨胀,内部约束即产生温度梯度,使材料膨胀,但由于约束由此产生热应力与热应变,经过一定的循环次数,导致裂纹的萌生、扩展。张文孝等[2]研究了LD8铝合金的同相和异相热疲劳特性,应用弹塑性断裂力学方法对不同状态下热疲劳寿命进行了探讨。

  化工设备或海洋环境中许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中,同时还承受着交变载荷的作用,与正常环境中承受交变载荷的情况相比,交变载荷与侵蚀性环境的联合作用往往会明显降低构件疲劳性能,而产生开裂与破坏。

  宫玉辉等[3]研究了不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响,发现腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用,但不同环境腐蚀和不一样的温度对材料的低周疲劳性能影响不大。王成等[4]将不同浓度硅酸钠添加到铝合金中,发现其能抑制铝合金的点蚀、减少裂纹源,提高铝合金在氯化钠溶液中抗点蚀的能力及腐蚀疲劳寿命,但对铝合金的腐蚀疲劳裂纹的扩展无法抑制。

  机械疲劳是指机械零件在仅有外加应力或应变波动情况下,即使承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。在循环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,此时疲劳寿命较长,称之为高周疲劳,也称应力疲劳;在循环应力水平较高时,塑性应变起主导作用,此时疲劳寿命较短,称之为低周疲劳,也称塑性疲劳。李睿等[5]对2024-T3铝合金孔板进行了高低周复合疲劳试验,研究之后发现随着高低周循环次数增大,复合疲劳寿命有显著的降低,并建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式,但其只考虑了载荷循环次数对疲劳的影响,没有全面综合其他影响疲劳寿命的因素。

  疲劳源即疲劳裂纹的萌生标志铝合金设备疲劳损伤过程的开始,疲劳源是材料微观组织永久损伤的核心,裂纹萌生后,逐渐长大并与其他裂纹合并然后形成宏观主裂纹,萌生阶段结束;接下来进入了裂纹扩展阶段,经过一段稳定扩展后,裂纹达到了一个临界尺寸,随着下一次应力、应变的作用,构件没办法承受,裂纹突然失稳扩展,构件瞬间断裂。用三个阶段描述该过程:疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂阶段。

  疲劳裂纹往往由于应力集中首先起源于物体内部微观组织架构的薄弱部位或高应力区,起始阶段,裂纹长度大致在0.05~0.1mm以内或更小,被定义为疲劳裂纹核。随着疲劳过程的进行,微观裂纹便会发展成为宏观裂纹。铝合金材料疲劳裂纹萌生部位主要有滑移带、晶界、相界面三种。

  疲劳裂纹萌生阶段结束,之后进入裂纹扩展的两个阶段,第一阶段是沿主滑移系,以纯剪切方式向内扩展,扩展速率极低,其延伸范围在几个晶粒长度之间,随即疲劳裂纹扩展进入第二阶段,在晶界的阻碍作用下,使扩展方向逐渐垂直于主应力即拉应力方向,并形成疲劳条纹或称为疲劳辉纹,一条辉纹就是一次循环的结果。

  第一阶段的裂纹扩展速度慢,长度小,所以该阶段的形貌特征并不明显。而第二阶段的穿晶扩展,其扩展速率随循环周次增加而增大,扩展程度也较为显著,多数材料的第二阶段可用电子显微镜观察到疲劳条纹,有些甚至能用肉眼观察到。不一样的材料的疲劳条纹各不相同,形貌也是种类非常之多,有与裂纹扩展方向垂直略呈弯曲并相互平行的沟槽状花样, 有断口比较平滑而且分布有贝纹或海滩花样,有时则呈现以源区为中心的放射线,疲劳条纹是疲劳断口最有代表性的特征。正常的情况下,疲劳裂纹扩展区在整个断口所占面积较大。

  疲劳裂纹扩展阶段是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。不同铝合金材料裂纹扩展的两个阶段也有不同的寿命,在材料表面光滑试件中,第一阶段的扩展时间占整个疲劳寿命的绝大部分;而在有缺口的试件中,第一阶段几乎能忽略,第二阶段的传播是整个疲劳裂纹扩展的寿命。

  疲劳裂纹扩展到某临界长度时,物体残存截面不足以承抵外载荷,会在某一次加载下发生失稳扩展而导致迅速断裂,这一阶段是构件寿命的最后阶段,失稳扩展到断裂这一短暂过程对于构件寿命的贡献是可忽略的,裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域称为瞬断区,材料性质不同,断口相貌也截然不同。

  合金成分不同,疲劳特性也不完全一样,成分决定合金组织和强化效果;同时合金的显微组织和冶金缺陷也在很大程度上影响合金的疲劳特性,如夹杂物、偏析、疏松、晶粒大小不均等因素会诱发裂纹源的产生,同时合金制备过程中难以避免的方向性使材料的不同方向的疲劳特性也有所差异。

  张涛等[6]研究了Al-Si系铸造铝合金疲劳性能,发现铸造过程难以避免的孔洞及Si颗粒大小、形貌均对铸造铝合金材料疲劳裂纹的萌生有重要影响;Zhai[7]通过对铝锂合金疲劳性能各向异性的研究发现,在轧制方向强度低,疲劳性能也最差,疲劳裂纹多沿方向萌生,而在厚度方向强度较高,鲜见裂纹的萌生,疲劳性能也自然最佳;时效处理是改善铝合金性能的有效途径,由于其改变了合金微观组织架构,自然也对合金疲劳特性影响颇大;Sharma等[8]通过对不同时效处理后的AA 2219铝合金进行疲劳试验,根据结果得出自然时效及欠时效处理后的合金疲劳性能较好,鲜见疲劳裂纹的萌生;而峰时效和过时效处理后的合金,其多出萌生疲劳裂纹切裂纹扩展速率较高,疲劳性能不佳。

  合金表面粗糙度及工件结构如尺寸、几何形状、表面的沟槽、壁厚均匀性等,是影响合金疲劳特性不可小觑的因素。Suraratchai等[9]对影响铝合金疲劳寿命的因素进行了研究,其对合金表面粗糙度进行了有限元分析,根据结果得出由于材料表面凹凸不平而引起的应力集中,是损害疲劳寿命的源头;肖骥[10]研究了7475铝合金板材的疲劳性能,在疲劳试验中表现最好的T-L平面上的试件进行了喷丸处理,结果发现,经过喷丸处理之后,并不是一定提高了试件的疲劳强度,在喷丸处理的过程中,在引入残余压应力的同时,也破坏了试件表面的平整度。残余压应力将提高试件的疲劳强度,而过高的粗糙度,将使试件表面很容易成为裂纹源。

  载荷的大小和加载方式及加载频率是合金材料疲劳寿命的决定性因素。刘岗等[11]研究了2E12铝合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,根据结果得出缺口的存在降低了疲劳强度,随着应力比的提高,疲劳强度也大幅度改善;蹇海根等[12]通过金相、电镜扫描显微技术对比了不同应力下铝合金的疲劳断口显微组织,发现疲劳裂纹萌生处与材料表面的距离随加载应力升高而减小,加载应力越高,疲劳源区面积越小,裂纹扩展区的疲劳辉纹间距越大,且随着应力的增大,断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小,瞬断区的面积增大。

  同时材料寿命也受工作环境如温度、周边介质等因素影响。Gasqueres等[13]通过对AA 2024铝合金疲劳裂纹扩展规律的研究发现,正常室温下,疲劳裂纹扩展进入第二阶段后,将环境和温度调至223 K,裂纹长大又转为第一阶段的扩展规律,而且此时裂纹的扩展受到温度和气压的共同影响。

  铝合金疲劳特性的影响因素很多,从单一或几个因素的考虑对铝合金材料疲劳寿命进行研究并不准确,建立相应的科学模型,考虑所有因素从而精确地预测材料的疲劳寿命是要进一步深入研究的重点。

  疲劳损伤造成灾难**故以及巨额财产损失由来已久,构件的疲劳寿命估算一直备受瞩目,其研究探索在近百年的时间内从未间断,1945年Miner在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上,将Palmgren于1924年提出的线性累积损伤理论公式化,形成了Palmgren-Miner线年Paris在断裂力学方法的基础上,提出了表达裂纹扩展规律的Paris公式,此后又发展有损伤容限设计;1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基础上,提出了根据应力-应变分析估算疲劳寿命的方法——局部应力-应变法,还有许多出色的研究人员提出的诸多计算方式[14],以下粗略地介绍现今在疲劳寿命估算方面三种主要运用的方法。

  其中n表示不同大小的载荷,N表示不同载荷单独作用下出现裂纹的破坏次数,N表示总的循环次数,即疲劳寿命。当循环周期内载荷对构件所造成的损伤累计加至1时,构件即发生破坏;其简单直观,在工程上被大范围的应用,并由此衍生了最早的抗疲劳设计方法——名义应力法,其以材料或零件的S-N曲线描述材料的疲劳特性,根据应力集中系数和名义应力,结合线性累计损伤理论进行疲劳寿命计算。但名义应力法以材料力学和弹性力学为基础,不考虑疲劳过程中的塑性变形,对发生高应力局部屈服的疲劳破坏并不适用。

  局部应力-应变曲线法认为构件的整体疲劳性能,取决于最危险区域的局部应力应变状态。其先实验测定应力、应变和疲劳断裂寿命的曲线和实验数据,接下来结合Neuber公式进行缺口时间在随机加载下的局部应力-应变响应分析,进行每一次循环的损伤计算,最后按线性累积模型求得疲劳损伤量,估算出寿命。修正后的Neuber公式为:

  其中ΔS、Δσ、Δε分别为名义应力幅值、局部应力幅值和局部应变幅值。缺口疲劳系数是一个静态参数,无法精确求解。

  名义应力法没考虑疲劳过程中的塑性变形,局部应力-应变法弥补了这一缺陷,只要掌握材料试样的循环应变、应力与寿命关系的曲线等少量实验数据,通过对应力集中部位的应力应变分析后,就可以预计构件的疲劳寿命。但其运用的Neuber公式是一个经验公式,人为误差较大,而近年来兴起的弹塑性有限元法较为精确,值得推广[15]。

  断裂力学是损伤容限法的基础,实际上所有工程构件都有微观缺陷,这一固有缺陷可以视其为一个初始裂纹,裂纹扩展寿命便是由初始裂纹扩展到临界裂纹的应力循环数。疲劳裂纹临界尺寸的选择根据材料性质及工作状态等因素确定,通常用裂纹扩展速率公式来描述不同结构与不同外载荷作用下的裂纹扩展行为,其扩展速率不仅与裂纹长度有关,也与载荷大小、加载方式等因素有关。

  我国铝合金材料疲劳特性的研究已经取得令人瞩目的成绩,但仍有许多问题亟待解决。我国在铝合金疲劳裂纹萌生与扩展的微观理论机制方面的研究并不深入,与一些发达国家尚有差距;铝合金的织构组织对疲劳寿命产生影响的研究国内也鲜有涉及;在预测合金疲劳寿命时也很难全面考虑所有坏因,迫切地需要更加准确的疲劳寿命预测公式,而近年来兴起的有限元分析法带来了新的曙光,虽然处于起步阶段但也取得了喜人的成效,冯娟等[16]用有限元模拟分析方法,准确地计算出7475铝合金在过载情况下疲劳裂纹的扩展速率,而热处理工艺及微合金化的发展也大幅度的提升了铝合金的疲劳特性,相信不久后,我国对于铝合金疲劳行为的研究必将步入世界领先水平。

  [1]刘静安,谢水生.铝合金应用与开发.北京: 冶金工业出版社, 2011

  [2]张文孝,郭成壁.铝合金的热疲劳特性及断裂力学计算分析.固体力学学报, 2002, 23(3): 361-365

  [3]宫玉辉,刘铭,张坤,等.不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响.材料工程, 2010(9): 71-73

  [4]王成,江峰,张波,等.硅酸钠对铝合金的缓蚀作用及对腐蚀疲劳寿命的影响.腐蚀与防护, 2000, 21(10): 435-437

  [6]张涛,何国球,莫德峰.铸造铝合金疲劳性能影响因素的研究.化学工程与装备, 2010(12): 1-4

  [10]肖骥. 7475铝合金板材的各向异性疲劳性能研究.上海交通大学学报, 2011

  [16]冯娟,王建国,王红缨,等.过载对铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响.物理测试, 2008, 26(4): 34-37

  王旭(1979—),男,讲师,博士后,研究方向为金属材料及其金属基复合材料。E-mail:

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