白　鑫　謝里陽　佟安時　李　銘　譚秀峰

東北大學，沈陽，110819

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鋁合金型材融合口材料疲勞極限測定

白鑫謝里陽佟安時李銘譚秀峰

東北大學，沈陽，110819

摘要：為了測試口形鋁合金型材融合口處材料的疲勞極限，針對型材尺寸、形狀和融合口位置的特殊性——不能設(shè)計成符合現(xiàn)有規(guī)范的標準疲勞試樣形狀，設(shè)計了L形缺口試樣及其疲勞試驗夾具。通過有限元模擬試驗載荷、仿真試樣應(yīng)力分布，應(yīng)用數(shù)值回歸的方法求解出最大應(yīng)力值，確立了試驗載荷與L形缺口試樣疲勞應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。利用設(shè)計的試樣和夾具進行升降法試驗，測得了一種口形鋁合金型材融合口處材料的疲勞極限，并對試樣進行了斷口分析。

關(guān)鍵詞：鋁合金型材；融合口；L形缺口試樣；升降法試驗；疲勞極限

0引言

隨著軌道交通運輸業(yè)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保意識的增強，車輛輕量化成為各國研究的熱點，鋁合金逐漸成為地鐵列車、高速列車等現(xiàn)代交通工具的關(guān)鍵材料[1-2]。鋁合金具有良好的擠壓成形性能和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于地鐵車體所需的大型薄壁、中空型材的制造[3-4]。多數(shù)中空大截面鋁型材是采用分流組合模焊合擠壓成形的，擠壓焊縫很難避免[5]，這種擠壓焊縫被稱為融合口(也稱為焊合口)[6]。融合口處材料的內(nèi)部組織是來自不同區(qū)域的兩種組織，這兩種組織不僅晶粒取向不同，流動速度也存在差異。擠壓生產(chǎn)過程中，這兩種組織在接觸瞬間產(chǎn)生錯動、摩擦，融合口處材料發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽芎蜔崮?，所以，融合口處材料的組織不均勻，其熱量也比基體組織高。

為實現(xiàn)中國軌道交通材料的國產(chǎn)化，對融合口處材料進行靜強度、腐蝕性能、疲勞性能等方面的檢測很有必要[5-7]。在疲勞方面，由于融合口所處部位的形狀和尺寸限制，往往很難加工成標準疲勞試樣。

針對口形鋁合金型材融合口處材料疲勞極限獲取的特殊性，本文提出了合適的疲勞極限的試驗方案，設(shè)計了一種L形缺口試樣及其疲勞試驗夾具，實現(xiàn)了試驗件加載壓力與其疲勞應(yīng)力之間的換算，最后檢測了一種口形鋁型材融合口處材料的疲勞極限，斷口分析結(jié)果驗證了試驗的合理性。

1疲勞極限試樣及夾具設(shè)計

為測試口形鋁型材融合口處材料的疲勞極限，首先需要設(shè)計出L形缺口試樣和試驗夾具。

1.1含融合口的L形缺口試樣

多數(shù)由分流組合模焊合擠壓制成的口形鋁型材含有融合口。圖1所示為中國某廠家自主研發(fā)的含融合口的口形A7N01S鋁型材。

圖1　含融合口的口形A7N01S鋁型材

由于融合口位于口形材的拐角處，無法制成標準板形試樣[8]，為了實現(xiàn)試驗試樣融合口處疲勞性能的檢測，本文設(shè)計了L形試樣，在試樣拐角處設(shè)計了缺口，并設(shè)計成懸臂梁式的受載形式，如圖2所示。根據(jù)L形試樣的受載特點，將L形試樣的兩個臂進行區(qū)分：直接承受載荷作用的試樣橫臂稱為懸臂，長度為懸臂長度；另一個被夾緊的、試驗時處于豎立位置的試樣臂稱為立臂，長度為200 mm。圖2中，H為有效立臂高度；F為疲勞載荷大小，kN；L為載荷作用力臂長度，L=40 mm。

圖2　L形缺口試樣尺寸

1.2試驗夾具

根據(jù)L形缺口試樣的試驗要求，設(shè)計了疲勞試驗夾具。如圖3所示，通過緊固螺栓使壓板壓牢L形缺口試樣的立臂，從而實現(xiàn)了試樣的固定；通過壓頭的往復(fù)作用，實現(xiàn)了循環(huán)載荷的加載。根據(jù)夾具對L形試樣的夾持位置，可將試樣的立臂分為兩部分：被螺栓和壓板鎖緊的試樣立臂部分和未被鎖緊的立臂部分。由于被鎖緊的立臂部分的所有運動自由度均被限制，故在壓頭的疲勞載荷下，立臂的變形只體現(xiàn)在未被鎖緊的立臂部分。為敘述方便，本文簡稱未被鎖緊的立臂部分為有效立臂，其高度稱為有效立臂高度(H=90 mm)。

1.壓板　2.緊固螺栓　3.壓頭4.L形缺口試樣　5.L形試樣托架圖3　試驗夾具

2試樣受力有限元分析

為了實現(xiàn)試驗件加載壓力與其疲勞應(yīng)力之間的換算，對試驗試樣進行了有限元分析。

2.1試驗試樣有限元模型

采用大型商業(yè)通用有限元軟件ABAQUS對試樣缺口處應(yīng)力進行有限元分析。在實驗過程中，因為L形缺口試樣立臂的變形只體現(xiàn)在有效立臂上，故可直接將立臂高度簡化為有效立臂高度。對有效立臂的頂端平面進行全約束，對緊貼L形試樣托架的有效立臂外側(cè)面進行X軸方向平動自由度的約束。設(shè)計L形缺口試樣的母材(A7N01S)力學性能參數(shù)見表1。

表1　L形缺口試樣母材的力學性能

采用C3D8R單元對試樣模型進行有限元網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格尺寸為1 mm，缺口處單元細化至0.3 mm。通過點、線的運動自由度耦合，將集中力9.18 kN加載至 “L=40 mm處的有限元節(jié)點集”(圖4，試樣懸臂上端面的耦合點，該點集排列位置呈一直線)，方向沿Y軸負方向。

圖4　L形缺口試驗試樣的有限元模型

2.2有限元仿真

由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向有關(guān)[9-10]，故以最大主應(yīng)力作為疲勞評估的參考應(yīng)力。圖5所示為有限元模型的求解結(jié)果，在試樣缺口表面與試樣對稱中面的交線上，距試樣懸臂底面最近的位置為L形試樣的應(yīng)力集中處，此處節(jié)點應(yīng)力值最大(299.4 MPa)。

圖5　L形缺口試樣的有限元求解結(jié)果

因為應(yīng)力集中位置的應(yīng)力求解結(jié)果受單元尺寸的影響[11-12]，有限元直接求解、獲得的最大應(yīng)力值并非應(yīng)力集中處的真實應(yīng)力值。為此，以最大應(yīng)力點為位置零點，提取沿缺口法向距最大應(yīng)力點不同距離的多個節(jié)點的應(yīng)力值，并設(shè)置成坐標點的形式，即各被提取的節(jié)點與最大應(yīng)力點的距離為橫坐標，對應(yīng)提取節(jié)點的應(yīng)力S為縱坐標。然后，對各坐標點的數(shù)據(jù)進行回歸，得到最大應(yīng)力節(jié)點的真實應(yīng)力的逼近值。圖6所示為各被提取節(jié)點的位置(粗實線上的各節(jié)點)，圖7所示為提取節(jié)點的坐標和擬合曲線，擬合方程如下：

S=12.660 57+293.9119e-r/1.900 66(MPa)

(1)

圖6　缺口處被提取節(jié)點的位置

圖7　提取節(jié)點的位置和應(yīng)力的回歸

通過式(1)求解出r=0處的應(yīng)力，即最大應(yīng)力，其值為306.97MPa。根據(jù)彈性力學知識，可得壓頭的壓力大小與試樣受疲勞應(yīng)力大小的線性關(guān)系：

S=33.44F(MPa)

(2)

式中，F(xiàn)為壓頭壓力，kN。

3升降法試驗結(jié)果

用GPS-100高頻疲勞試驗機，在應(yīng)力比R=0.7(經(jīng)嘗試，該應(yīng)力比下A7N01S的L形缺口試樣的高頻疲勞試驗較易實現(xiàn)且狀態(tài)比較穩(wěn)定)，規(guī)定壽命為1.0×107次載荷循環(huán)下，對圖2所示的L形缺口試樣進行升降法試驗，如圖8所示。試驗結(jié)果見表2。圖9所示為循環(huán)載荷升降圖：16個試驗試樣結(jié)果中，7個斷裂，9個溢出，共配成7對；利用配對法[13]處理試驗數(shù)據(jù)，由式(2)得到融合口處的疲勞極限為306.97 MPa (壓頭壓力F=9.18 kN對應(yīng)的疲勞應(yīng)力)；應(yīng)力級差為5.016 MPa(對應(yīng)的F=0.15 kN)，小于5%的疲勞極限，滿足升降法要求[13]。

圖8　升降法試驗中的L形缺口試樣

F(kN)疲勞壽命N(載荷循環(huán)次數(shù))-9.60322700;>1.0×107-9.45>1.0×107;>1.0×107-9.30454500;488900;341800;>1.0×107-9.151962700;410700;>1.0×107;>1.0×107;>1.0×107-9.00457600;>1.0×107;>1.0×107-8.85>1.0×107

圖9　循環(huán)載荷升降圖

為了與廠家提供的母材疲勞極限值(對稱循環(huán)載荷下的拉-壓疲勞極限值115 MPa)進行對比，使用Gerber拋物線公式[14-15]：

(3)

將應(yīng)力比R=0.7的融合口處材料的疲勞極限轉(zhuǎn)換成對稱循環(huán)載荷下的疲勞極限，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為87.12MPa，低于母材疲勞極限24.24%。其中，Sa為應(yīng)力幅值，Sm為平均應(yīng)力值，S-1為對稱循環(huán)載荷下的疲勞極限值，σb為強度極限值。

4斷口分析

為驗證試驗結(jié)果的合理性，對L形缺口試樣的斷口進行了分析。圖10中試樣裂紋起裂位置與擴展方向符合有限元仿真應(yīng)力分布。將圖10所示的試驗后的裂紋試樣拉斷，切割制成斷口試樣，進行宏觀和微觀分析。如圖11、圖12所示，試驗后的L形試樣斷口光滑，具有典型的疲勞斷口形貌，含有裂紋源、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)。

圖10　試驗后的L形缺口試樣的裂紋位置

圖11　宏觀斷口

(a)裂紋源(b)擴展區(qū)

(c)瞬斷區(qū)(d)人為拉斷圖12　微觀斷口

如圖12a所示，裂紋擴展比較平緩(相對于圖12b～圖12d)，為主裂紋源，位于試樣缺口處起裂邊的中心位置(距試樣懸臂底面最近的位置)，與有限元仿真的應(yīng)力集中最嚴重位置一致。由宏觀斷口可知，裂紋起始于主裂紋源，并呈放射狀向周圍擴展，形成了明顯的疲勞條痕特征，如疲勞條帶、平行的疲勞裂紋(圖12b)，此區(qū)域為疲勞裂紋擴展區(qū)。當試樣有效承載面積逐漸減小，斷口有分布均勻的韌窩(圖12c)，此為疲勞瞬斷區(qū)。為了保護斷口形貌，當試驗的載荷頻率下降8 Hz時，及時停止試驗，再拉斷試樣，所以斷口有明顯傾向于一側(cè)受力的韌窩，呈撕裂狀(圖12d)。斷口分析說明，試驗試樣的應(yīng)力分布情況與有限元的仿真結(jié)果一致，這也從另一個側(cè)面證明了本文設(shè)計試驗的正確性。

5結(jié)論

(1)本文設(shè)計的含融合口的L形缺口試樣及其試驗夾具,可以實現(xiàn)口形鋁型材的融合口處材料的疲勞性能的測試。

(2)利用有限元模擬試驗加載，通過對最大應(yīng)力位置的周圍節(jié)點的應(yīng)力數(shù)值回歸，獲得最大應(yīng)力的逼近值，從而可以建立壓頭壓力與L形缺口試樣所受疲勞應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系。

(3)測試的口形A7N01S鋁型材融合口處材料的疲勞極限(87.12 MPa)低于母材的疲勞極限(115.0 MPa)。

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(編輯陳勇)

Fatigue Limit Test of Fusion-mouth Material of Extruded Aluminum Alloy Profile

Bai XinXie LiyangTong AnshiLi MingTan Xiufeng

Northeastern University,Shenyang,110819

Abstract：In order to determine fatigue limit of fusion-mouth material of extruded aluminum alloy, the L-shaped notched specimens and their fixture were designed under the circumstance that those materials might not be designed as the normal standard fatigue specimens due to their special positions and sizes. Firstly, stresses on different locations of the tested L-shaped notched specimens were solved using finite element method. Then, the maximum stresses were approximated by means of the numerical regression method. Thus, the relationship between test load and fatigue stress might be explained by an equation. In order to determine the fatigue limit of the located-in-fused-mouth materials of a kind of extruded aluminium alloy profiles, an up-and-down program was also tested for the designed L-shaped notched specimen by designed fixture, and the fracture samples were also analysed.

Key words：extruded aluminium alloy profile; fusion mouth; L-shaped notched specimen; up-and-down test; fatigue limit

收稿日期：2015-06-29

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51335003)

中圖分類號：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.018

作者簡介：白鑫，男，1988年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。主要研究方向為機械裝備疲勞強度與可靠性。謝里陽(通信作者)，男，1962年生。東北大學機械工程與自動化學院教授、博士研究生導(dǎo)師。佟安時，男，1985年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。李銘，男，1986年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。譚秀峰，女，1990年生。東北大學機械工程與自動化學院博士研究生。