(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引 言

高強(qiáng)高韌鋁合金型材在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常用于制作飛機(jī)壁板長(zhǎng)桁、地板立柱等主要受力部件。在民用飛機(jī)中，按照損傷容限設(shè)計(jì)的受力構(gòu)件的抗裂紋擴(kuò)展能力是影響飛機(jī)飛行安全的重要因素[1-2]。目前，研究人員已對(duì)航空用鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了一定的研究。黃志偉等[3]采用緊湊拉伸(CT)試樣對(duì)不同幅值循環(huán)載荷條件下7075-T7451鋁合金的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)載荷幅值的增大，合金的疲勞壽命縮短，裂紋擴(kuò)展速率增大。宮玉輝等[4]在不同腐蝕環(huán)境下對(duì)7475-T7351鋁合金厚板進(jìn)行軸向加載疲勞和疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腐蝕環(huán)境會(huì)明顯加快合金裂紋擴(kuò)展速率，其中高周疲勞性能受影響較大，低周疲勞性能受影響較小。

飛機(jī)零件的不同部位在完整飛行剖面中經(jīng)歷的溫度環(huán)境和載荷有所不同，因此在不同溫度、應(yīng)力比下對(duì)其損傷容限性能，尤其是疲勞裂紋擴(kuò)展性能研究非常重要。然而，目前相關(guān)研究主要集中在鋁合金板材裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展行為方面[5-8]，而對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金型材的研究較少。為此，作者采用中心裂紋試樣測(cè)試了不同溫度和應(yīng)力比下高強(qiáng)高韌7055-T76511鋁合金型材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率及裂紋擴(kuò)展門檻值，以期為航空零部件選材設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)，為飛機(jī)的服役安全性和經(jīng)濟(jì)性提供保障。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為7055-T76511鋁合金型材，其橫截面如圖1所示。取樣位置在底部厚度(12 mm)的1/2處。

圖1 7055-T76511鋁合金型材橫截面形貌Fig.1 Cross sectional morphology of 7055-T76511 aluminum alloysection material

按照ASTM E647標(biāo)準(zhǔn)加工中心裂紋M(T)試樣，試樣厚度B為5 mm，寬度W為100 mm，長(zhǎng)度L為400 mm，初始裂紋長(zhǎng)度為6 mm，如圖2所示。預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為1 mm，使用放大倍數(shù)在20倍以上的顯微鏡進(jìn)行測(cè)定，預(yù)制裂紋應(yīng)力比為0.1。采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，并測(cè)定裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth。試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)載荷精度為±1%，動(dòng)態(tài)載荷精度為±3%。試驗(yàn)頻率為310 Hz，應(yīng)力比R為0.1，0.5，相對(duì)濕度為30%60%。試驗(yàn)溫度分別為150 ℃(高溫)、1828 ℃(室溫)、-70 ℃(低溫)，采用環(huán)境箱控制溫度，低溫溫度偏差為±2 ℃，高溫溫度偏差為±3 ℃。低溫和高溫條件下，需先將試樣在試驗(yàn)溫度下保溫30 min后再進(jìn)行測(cè)試。

圖2 中心裂紋試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and size of the central crack sample

試驗(yàn)過程中，將裂紋擴(kuò)展速率控制在(12)×10-5mm·周次-1，保持最大載荷Pmax和應(yīng)力比R恒定。裂紋每擴(kuò)展Δa長(zhǎng)度后，記錄當(dāng)前裂紋長(zhǎng)度a及相應(yīng)的循環(huán)周次N(即a-N數(shù)據(jù))，直到試樣斷裂。采用割線法對(duì)a-N數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以確定裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)，通過Paris公式對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行擬合，得到da/dN-應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(ΔK)關(guān)系曲線，da/dN=1×10-7mm·周次-1對(duì)應(yīng)的ΔK即為裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth。Paris公式如下

da/dN=C(ΔK)n

(1)

式中：C，n為Paris擬合參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裂紋擴(kuò)展速率及門檻值

由表1可以看出，隨著溫度的降低，7055-T76511鋁合金型材的裂紋擴(kuò)展門檻值逐漸增大。溫度由150 ℃降至-70 ℃時(shí)，0.5應(yīng)力比下，裂紋擴(kuò)展門檻值由0.98 MPa·mm1/2提高至1.33 MPa·mm1/2，0.1應(yīng)力比下，門檻值由1.07 MPa·mm1/2提高至1.43 MPa·mm1/2，可見溫度對(duì)門檻值的影響較為明顯。應(yīng)力比由0.5降低至0.1，門檻值有所提高，但相差不大。

表1 7055-T76511鋁合金型材在不同溫度和應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果

2.2 討論與分析

由圖35可以看出，150 ℃、室溫、-70 ℃條件下，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，當(dāng)ΔK一定時(shí)，0.5應(yīng)力比下7055-T76511鋁合金的裂紋擴(kuò)展速率均高于0.1應(yīng)力比下的；在不同應(yīng)力比下，150 ℃下的da/dN-ΔK曲線近乎平行，而室溫和-70 ℃條件下，隨應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的增大，不同應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展速率差值增大。

對(duì)比不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可知，當(dāng)應(yīng)力比為0.5，0.1時(shí)，隨著溫度的升高，裂紋擴(kuò)展越來越快，抗裂紋擴(kuò)展能力降低，-70 ℃下合金斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率較小，且其裂紋擴(kuò)展門檻值始終最大，說明在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，低溫下合金的抗裂紋擴(kuò)展能力最好。高溫條件下抗裂紋擴(kuò)展能力的下降與材料彈性模量和抗拉強(qiáng)度的降低以及裂紋表面氧化有關(guān)。裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尖端的張開位移成正比關(guān)系。在相同外加載荷條件下，隨著溫度從-70 ℃升至150 ℃，7055-T76511鋁合金的彈性模量降低，裂紋尖端張開位移變大，同時(shí)強(qiáng)度的

圖3 不同應(yīng)力比下7055-T76511鋁合金型材在150 ℃時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.3 Fatigue crack growth rate curves of 7055-T76511 aluminum alloy section material at 150 ℃ under different stress ratios

圖4 不同應(yīng)力比下7055-T76511鋁合金型材在室溫時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.4 Fatigue crack growth rate curves of 7055-T76511 aluminum alloy section material at room temperature under different stress ratios

圖5 不同應(yīng)力比下7055-T76511鋁合金型材在-70 ℃時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線Fig.5 Fatigue crack growth rate curves of 7055-T76511 aluminum alloy section material at -70 ℃ under different stress ratios

下降使得裂紋尖端的累積損傷加重，裂紋擴(kuò)展阻力減小，擴(kuò)展速率增大。

3 結(jié) 論

(1) 隨著溫度的降低和應(yīng)力比的減小，7055-T76511鋁合金型材的裂紋擴(kuò)展門檻值逐漸增大，其中溫度的影響更為顯著。

(2) 150 ℃、室溫及-70 ℃條件下，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍一定時(shí)，0.5應(yīng)力比下合金的裂紋擴(kuò)展速率均高于0.1應(yīng)力比下的；隨著溫度的升高，裂紋擴(kuò)展加快，-70℃下合金斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率較小，抗裂紋擴(kuò)展能力最好。