張 然 勾 寧 黃 斌 饒 旭 廖福成

上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620

引言

近年來，世界性能源問題以及各國對環(huán)保的重視，使得列車制造業(yè)把減輕列車質(zhì)量，降低成本作為提高未來列車發(fā)展的方向，其中采用鋁合金材料代替鋼材在列車上的應(yīng)用是重要措施之一。鋁合金不僅有減重性好、耐蝕性好、運行性好、加工性好、產(chǎn)品質(zhì)量高、壽命周期成本低等優(yōu)點，而且維修費低、節(jié)能，滿足了再制造、再使用等可持續(xù)發(fā)展的要求。但是鋁合金也是有一定的使用壽命，那么，能了解鋁合金疲勞擴展的過程，將會對使用鋁合金過程中降低因疲勞裂紋而造成的經(jīng)濟損失有重大意義。本文對于鋁合金試樣的疲勞壽命進(jìn)行了分析，并運用光學(xué)顯微鏡及電子掃描研究了其金相組織，同時對斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察并分析，之后具體闡述了裂紋形成及發(fā)展的過程。得出A6N01鋁合金疲勞裂紋源萌生于合金內(nèi)部的加工缺陷或粗大夾雜處, 疲勞裂紋擴展都伴隨著小平面斷裂的發(fā)生。

1 實驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用材料為A6N01鋁合金，供貨狀態(tài)為T5(即由高溫成形過程中冷卻，然后進(jìn)行人工時效的狀態(tài))，厚度5mm。成分如下表表1：

表1 A6N01鋁合金的化學(xué)成分%

材料特點：A6N01鋁合金為Al-Zn-Mg熱處理強化型高強鋁合金，通過加入適量Mn、Cr、Zr 等微量元素有效提高合金的再結(jié)晶溫度和可焊性，是綜合性能較為優(yōu)異的鋁合金，其強度高、擠壓性較好、耐蝕性好，適于制造車體、底架、框架等型材。

1.2 實驗方法

1.2.1 將母材用120～1200的砂紙磨好拋光之后，放在受載100千牛頓的高頻疲勞試驗機上做疲勞循環(huán)實驗，記錄不同裂紋擴展階段的循環(huán)次數(shù)，直到斷裂。重復(fù)以上操作及得到疲勞壽命曲線S-N曲線。

1.2.2 在試樣斷裂后鋸斷離處2厘米得到電鏡掃描的試樣，清洗后吹干放在丙酮溶液中在SK3300H型超聲波震蕩儀中清洗10分鐘.使用S-3400N型掃描電鏡對鋁合金疲勞斷口進(jìn)行顯微組織觀察。

1.2.3 在做上述實驗時，在不同的裂紋擴展階段進(jìn)行低周疲勞表面裂紋早期萌生與擴展的觀察，為了反映疲勞裂紋早期萌生的細(xì)微過程，在疲勞裂紋形核和萌生的早期階段采用SEM表面直接觀察法研究表面裂紋的萌生過程。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 A6N01鋁合金的疲勞性能

試驗是在室溫干燥環(huán)境中進(jìn)行的。打開疲勞試驗機電源，根據(jù)疲勞試樣更換夾具，并調(diào)節(jié)夾具到適當(dāng)位置以安裝試樣，安裝試樣時應(yīng)注意使其位于夾具的正中央，并盡量旋緊螺栓以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行試樣的疲勞試驗前，用手動調(diào)節(jié)使加載應(yīng)力清零,試驗定為脈動加載，加載方式為正弦波，合金試樣在99.5HZ頻率下進(jìn)行疲勞試驗，應(yīng)力比為R=0，進(jìn)行到試樣斷裂為止停止計數(shù)。

2.2 A6N01鋁合金疲勞斷口的SEM分析

使用S-3400N型掃描電鏡對鋁合金疲勞斷口進(jìn)行顯微組織觀察，并以此分析各試樣的疲勞性能。圖2為A6N01鋁合金在0.5σb作用下疲勞斷口的SEM形貌。

圖1 鋁合金疲勞斷口的SEM分析示意圖

圖1中a—裂紋起于式樣邊緣；b—疲勞源；c—起裂點。裂紋起源于試樣邊緣，鋁合金A6N01疲勞斷口有明顯的疲勞源，在鋁合金的內(nèi)部存在雜質(zhì)與氣孔。當(dāng)鋁合金受到循環(huán)應(yīng)力作為載荷時，在這些雜質(zhì)和氣孔的周圍應(yīng)力分布會不均勻，它將會作為形核的質(zhì)點，在此處形成大的第二相構(gòu)成了疲勞斷裂的一個主要疲勞源。

圖2 裂紋擴展區(qū)及疲勞條帶示意圖

圖3 鋁合金瞬斷區(qū)示意圖

圖2中a.b是不同放大倍數(shù)下的裂紋擴展區(qū)及疲勞條帶，A6N01鋁合金的質(zhì)地分布較為均勻當(dāng)裂紋形成后內(nèi)部應(yīng)力較為均勻，所以疲勞擴展速率比較均衡，且形成了疲勞條帶，有魚鱗狀的形貌。

圖3所示鋁合金a—靠近瞬斷區(qū)的擴展區(qū)；b—瞬斷區(qū)部出現(xiàn)解離；c—撕裂棱結(jié)構(gòu)；d—韌窩。

在瞬斷區(qū)中存在斷裂的撕裂棱和韌性斷裂的韌窩，屬于塑韌性較好的韌性斷裂。由圖4a可以看出韌窩底部為中空的，韌窩的大小較為均勻，這表明合金具有較好的韌性，此處不容易成為斷裂區(qū)。合金靠近瞬斷區(qū)的擴展區(qū)，韌窩結(jié)構(gòu)分明，表明擴展區(qū)為韌性開裂。圖3b中可以看到明顯的斷裂點，在瞬斷圖的右部，出現(xiàn)了部分解理特征。圖3c中可以看到明顯的一條凸出的斷帶，此為撕裂棱結(jié)構(gòu)，表明裂紋擴展中，不是一個斷裂面，而是兩個斷裂面擴展到會合階段撕裂而成的。圖3d中有許多韌窩，這是瞬間斷裂留下的，韌窩較小，表明合金組織具有較好的塑韌性。

2.3 A6N01鋁合金疲勞裂紋擴展行為觀察與分析

圖4 疲勞裂紋擴展示意圖

常規(guī)的經(jīng)典疲勞強度理論——名義應(yīng)力法及局部應(yīng)力應(yīng)變分析法，目前仍然是工程應(yīng)用最廣泛的一種抗疲勞設(shè)計方法。人們利用金相顯微鏡觀察金屬微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了破壞的過程可分為三個階段，第一個階段是疲勞裂紋的形成；第二個階段是疲勞裂紋的擴展；第三個階段是裂紋的瞬時斷裂，由于瞬時斷裂的時間很短，所以疲勞壽命主要由于疲勞裂紋形成壽命和疲勞裂紋擴展壽命組成，也就是說構(gòu)件或構(gòu)件的疲勞壽命一般分為裂紋形成和裂紋擴展壽命兩部分。

圖4疲勞裂紋擴展示意圖中a—起裂源；b—裂紋尖端；c—起裂區(qū)；d—擴展區(qū)。

在大晶粒的晶界處由所受的應(yīng)力不均勻產(chǎn)生晶?；坪图?xì)小裂紋，很有可能慢慢發(fā)展為大的裂紋甚至裂縫。由圖4b可見，A6N01鋁合金疲勞裂紋尖端，裂尖前方組織開始出現(xiàn)疏松現(xiàn)象，裂尖的擴展比較曲折，伴隨有細(xì)小裂紋分支;由c可見，起裂區(qū)起源于邊緣，擴展方向在晶界上發(fā)生相對接近90°的變化;由d可見，在裂紋擴展的同時，也會伴有細(xì)小的裂紋分支，并且擴展方向也是接近90°的變化。裂紋的持續(xù)擴展,使剩余截面上的應(yīng)力不斷增加,裂紋擴展速率也相應(yīng)地增加，當(dāng)剩余面積不足于支持所加載荷時,試樣即發(fā)生瞬間斷裂。瞬斷區(qū)的斷口形貌均呈韌窩狀,是典型的靜載撕裂特征,應(yīng)力較低時,疲勞區(qū)面積相對較大,而應(yīng)力高時,疲勞區(qū)面積則相應(yīng)較小。

3 結(jié)語

(1)A6N01鋁合金當(dāng)加載循環(huán)增加時，試樣的疲勞損傷隨之增長。

(2)A6N01鋁合金疲勞裂紋源萌生于合金內(nèi)部的加工缺陷或粗大夾雜處, 疲勞裂紋擴展都伴隨著小平面斷裂的發(fā)生。

(3)氣孔成為主要的應(yīng)力集中區(qū)域,氣孔對于鋁合金疲勞性能的影響取決于氣孔的宏觀尺度。當(dāng)氣孔直徑足夠大且數(shù)量很多或在表面附近存在時，就會對疲勞性能有明顯的影響，并加速疲勞裂紋的擴展。

(4)斷口可分為三個區(qū)域：起裂源、裂紋擴展區(qū)以及瞬斷區(qū)。擴展區(qū)內(nèi)存在疲勞輝紋，瞬斷區(qū)的韌窩表明母材具有較好的韌性，但由于強度較低,容易成為斷裂區(qū)。

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