葉序彬，胡本潤，林華強，孫 琳

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

7N0l 鋁合金最早由日本開發(fā)，不但具有良好的擠壓性能，能擠壓形狀復雜的薄壁型材，且具有優(yōu)良的焊接性能，焊縫質(zhì)量高，是理想的中強焊接結(jié)構材料，廣泛應用于軌道車輛結(jié)構零件。目前軌道車輛車體輕量化主要通過采用不銹鋼或鋁合金材料替代傳統(tǒng)的碳鋼等來實現(xiàn)。由于不銹鋼車體采用點焊工藝而導致其氣密性差，所以在高速客車領域，質(zhì)量更輕的鋁合金車體具有其他材料所無法比擬的優(yōu)點。而在速度較低的城市軌道交通客車領域，鋁合金車體也越來越被有關設計部門及用戶所關注［1］。

7N01 鋁合金因具有高強度、優(yōu)良的耐蝕性能和優(yōu)良的焊接性能，宜做承重較大的結(jié)構材料，而被廣泛應用于大型建筑物、車輛和航空航天領域。因其減重性好、耐蝕性好、運行性能好和維修費低等優(yōu)點成為交通運輸車輛，特別是鐵道和地鐵列車用大型薄壁高精度復雜實心和空心型材的主要合金。我國地域遼闊，不同地域的環(huán)境相差較大，隨著我國鐵路的高速發(fā)展，一些較長的鐵路線貫穿了我國的各個地域，這對列車的車體用材料提出了更高的要求:在復雜環(huán)境(如高、低溫及腐蝕環(huán)境等)下良好的疲勞性能。

目前國內(nèi)關于7N01 鋁合金在不同溫度環(huán)境下的疲勞行為研究相對較少［2-8］，本試驗研究了7N01 鋁合金在3 種不同溫度環(huán)境下的疲勞性能，為該鋁合金的工程應用提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料及方法

1.1 材料及基本力學性能

試驗材料選用δ=4.0 mm 的7N01-T4 薄板，其化學成分為:4.23%Cu，1.4% Mg，1.56%Mn，0.08% Fe，0.06% Si，0.02% Ti，余量為Al。材料力學性能見表1。

表1 7N01-T4 鋁合金板材室溫基本力學性能Table 1 Basic mechanical properties of 7N01-T4 aluminium alloy sheet at room temperature

1.2 試驗環(huán)境

根據(jù)7N01-T4 鋁合金的使用環(huán)境分別在室溫、-60 ℃和100 ℃下進行疲勞試驗。

1.3 試樣形式

疲勞S-N 曲線測試試樣采用應力集中系數(shù)Kt=1 和Kt=3 兩種形式，如圖1 所示。

1.4 試驗設備

圖1 疲勞測試板材試樣Fig.1 Sheet for the fatigue specimen

3 種溫度的疲勞S-N 曲線測試均在電磁諧振型高頻疲勞試驗機上完成，試驗機均滿足靜態(tài)載荷示值誤差在±1%以內(nèi)，動態(tài)載荷平均載荷和載荷變程的誤差均不大于載荷循環(huán)中最大載荷的±3%的要求。低溫/高溫疲勞試驗應在低溫/高溫環(huán)境箱中進行，溫度測量裝置的分辨率達到1 ℃。在-60 ℃和100 ℃時，環(huán)境箱溫度誤差不超過±2℃。試樣加載前，在低溫/高溫環(huán)境箱中保溫30 min。圖2 為試驗現(xiàn)場。

圖2 疲勞曲線S-N 測試現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Fatigue S-N test scene

1.5 試驗標準

3 種溫度環(huán)境疲勞S-N 曲線測試按照GB/T 3075—2000《金屬材料疲勞試驗軸向應力控制方法》執(zhí)行。

1.6 試驗方法

試驗波形為正弦波，試驗頻率為110 Hz，應力比R=0.5。每條S-N 曲線的測試采用成組法和升降法。中、短壽命區(qū)(104～106)采用成組法測試，選擇3 級應力水平，每級應力水平重復3～5根試樣;疲勞極限的測定采用升降法，對應的疲勞極限為107。

2 試驗結(jié)果

描述S-N 曲線通常用線性模型與非線性模型對S-N 曲線進行擬合［9］，兩種模型表達式分別為:

線性模型:

非線性模型:

式中，A1、A2、A3為材料在一定應力集中系數(shù)和一定應力水平(如規(guī)定的應力比或平均應力)下的常數(shù)。

線型模型只限于表示中等壽命區(qū)S-N 圖的線段，而非線性模型可表示中、長壽命區(qū)S-N 曲線，并且后者有3 個待定常數(shù)，可以更精確地擬合各數(shù)據(jù)點，顯然具有較大的優(yōu)越性，因此本研究采用式(2)對表2～表4 中的數(shù)據(jù)進行進行擬合，得到3 種溫度下不同Kt的疲勞S-N 曲線，如圖3 所示。

3 分析與討論

3.1 溫度的影響

將7N01 鋁合金在3 種溫度下疲勞S-N 曲線進行對比，如圖4 所示。

圖4 7N01-T4 鋁合金試樣不同溫度S-N 曲線對比Fig.4 Comparasion of 7N01 aluminum alloy fatigue S-N curves in different temperature environments

由圖4 選取疲勞短壽命區(qū)105、中壽命區(qū)106和疲勞極限107等3 個疲勞壽命，列舉出3 個疲勞壽命對應的疲勞強度值，結(jié)果見表2。

在短壽命區(qū)(Nf=105)，對于Kt=1 光滑試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降19%，對應低溫疲勞強度比室溫提高9%;對于Kt=3 缺口試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降6%，對應低溫疲勞強度比室溫提高17%;在中等壽命區(qū)(Nf=106)，對于Kt=1 光滑試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降15%，對應低溫疲勞強度比室溫提高11%;對于Kt=3 缺口試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降14%，對應低溫疲勞強度比室溫提高20%;在長壽命區(qū)(Nf=107)，對于Kt=1 光滑試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降27%，對應低溫疲勞強度與室溫基本相當;對于Kt=3 缺口試樣，對應高溫疲勞強度比室溫環(huán)境下降25%，對應低溫疲勞強度與室溫基本相當。

表2 試樣疲勞壽命對應疲勞強度值Table 2 Corrosion-influence-factor of specimen MPa

由表2 可以看出:無論是光滑試樣還是缺口試樣，相同疲勞壽命條件下，-60 ℃環(huán)境疲勞強度值最高，室溫環(huán)境疲勞強度次之，100 ℃環(huán)境疲勞強度值最低。可見，相同應力水平下，低溫環(huán)境會提高7N01 鋁合金疲勞壽命，而高溫環(huán)境會降低其疲勞壽命。究其原因，高溫對力學性能的影響可能由擴散過程、時效、位錯重構(軟化)和再結(jié)晶導致的材料結(jié)構的轉(zhuǎn)變有關。一般而言，這些過程意味著在高溫環(huán)境下更容易出現(xiàn)塑性變形。對于疲勞，這意味著在疲勞裂紋的塑性區(qū)中出現(xiàn)更多的塑性變形和蠕變，這可能同時適用于宏觀裂紋和微觀裂紋。因此疲勞損傷累積會得到增強，從而導致疲勞壽命的下降;而低溫下可由兩種原因改變材料的疲勞行為。首先，材料的力學響應是不同的。一般而言，低溫下屈服強度和抗拉強度比在室溫下高。這種趨勢與塑性變形抗力增加(位錯的活動性降低)相關。第二，由于化學過程的反應速率和擴散速率較低，因此環(huán)境對于疲勞的影響在低溫下減?。?0］。這種變化趨勢應在一定的溫度范圍內(nèi)。

3.2 缺口敏感度

結(jié)構件由于使用的需要，常常帶有臺階、拐角、鍵槽、油孔、螺紋等，因此了解缺口引起的應力集中對疲勞極限的影響也很重要。

金屬材料在交變載荷作用下的缺口敏感性常用疲勞缺口敏感度qf來評定。

式中:Kt為理論應力集中系數(shù);Kf為疲勞缺口應力集中系數(shù)，或疲勞強度降低系數(shù)。Kf為光滑試樣和缺口試樣疲勞極限之比，即

根據(jù)式(2)得到3 種疲勞試驗環(huán)境的缺口敏感度系數(shù)qf，結(jié)果見表3。

表3 7N01 鋁合金不同溫度環(huán)境敏感度系數(shù)Table 3 7N01 aluminum alloy notch-sensitivity-factors of different temperature environment

從表6 可以看出，3 種溫度下缺口敏感度系數(shù)基本相當，溫度對7N01-T4 鋁合金敏感度系數(shù)基本沒有影響。

3.3 DFR 計算

細節(jié)額定疲勞值(DFR)是結(jié)構細節(jié)本身固有的疲勞性能特征值［11］，是一種對構件質(zhì)量和耐重復載荷能力的度量，它與使用載荷無關。該值是當應力比R=0.06 時，結(jié)構細節(jié)壽命具有95%置信度和95%可靠度，能夠達到105次循環(huán)壽命的最大應力(MPa)。DFR 計算如式(3)所示，本研究使用應力比R=0.5。

式中:σm0為等壽命圖中N95/95=105等壽命線與σm的交點，對于鋁合金σm0=310 MPa［11］;S 為SN 曲線斜度參數(shù)，對于鋁合金，S=2;N95/95為95%置信度和95%可靠度壽命;ST為試驗系數(shù)，ST=1.3;SC為置信系數(shù)，對于α=4 的鋁合金，試驗件3 件時SC=1.195，試驗件4 件時SC=1.175，試驗件5 件時SC=1.16;SR為可靠性系數(shù)，對于鋁合金SR=2.1;α 為形狀參數(shù)，對于鋁合金α=4;β為特征壽命;Ni為每個試件疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)。

選取疲勞壽命Nf區(qū)間在(1～4)×105實測值和式(3)分別計算3 種環(huán)境的DFR 值，結(jié)果見表4。

表4 試驗實測結(jié)果Nf及計算DFRTable 4 Test value of Nfand DFR

由表4 可以看出，100 ℃環(huán)境相比室溫環(huán)境DFR 值均有所下降，其中100 ℃環(huán)境Kt=1 和Kt=3 下的DFR 值比室溫分別下降24%和16%;而-60 ℃環(huán)境相比室溫環(huán)境DFR 值均有所提高，其中-60 ℃環(huán)境Kt=1 和Kt=3 下的DFR 值比室溫分別提高42%和14%。

4 結(jié)論

1)對于7N01-T4 鋁合金，無論是光滑Kt=1試樣還是缺口Kt=3 試樣，相同疲勞壽命條件下，-60 ℃環(huán)境疲勞強度值最高，室溫環(huán)境疲勞強度次之，100 ℃環(huán)境疲勞強度值最低?？梢姡谝欢ǖ臏囟确秶鷥?nèi)，低溫環(huán)境對疲勞性能是有益的，而高溫環(huán)境會降低其疲勞性能。

2)7N01 鋁合金在室溫、100 ℃和-60 ℃環(huán)境下的缺口敏感度系數(shù)分別為0.63、0.60 和0.59，這3 種溫度環(huán)境對7N01-T4 鋁合金敏感度系數(shù)基本沒有影響。

3)對于7N01-T4 鋁合金，100 ℃環(huán)境Kt=1和Kt=3 下的DFR 值比室溫分別下降24% 和16%，-60 ℃環(huán)境Kt=1 和Kt=3 下的DFR 值比室溫時分別提高42%和14%。

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