劉曉勇,張 翼

(中北大學(xué)能源動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030051)

0 引 言

鋁硅合金由于具有密度小、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、鑄造及耐磨性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、活塞、車輪等形狀復(fù)雜鑄造結(jié)構(gòu)件中[2]。在鑄造過程中鋁硅合金不可避免會(huì)產(chǎn)生縮孔、夾雜物等缺陷[3-4]。疲勞裂紋容易在這些缺陷區(qū)域萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞失效。因此，對鋁硅合金疲勞性能的研究非常必要。近年來，國內(nèi)外有較多學(xué)者針對鋁硅合金的疲勞行為進(jìn)行了研究[5-8]，研究內(nèi)容大多集中在低周疲勞及熱機(jī)耦合疲勞方面，而對其在多軸載荷下的高周疲勞性能及斷裂行為研究較少。實(shí)際上汽車結(jié)構(gòu)件主要承受高頻低應(yīng)力水平的機(jī)械疲勞載荷，且受復(fù)雜載荷及缺口效應(yīng)的影響，一些區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)呈多軸特征，因此對鋁硅合金多軸加載疲勞行為的研究意義重大。為此，作者對Al-12Si-CuNiMg鑄造鋁硅合金進(jìn)行了多軸加載疲勞試驗(yàn)，測試了鋁硅合金的疲勞壽命，并與模型的估算值進(jìn)行對比，同時(shí)對疲勞斷口形貌進(jìn)行了觀察。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為Al-12Si-CuNiMg鑄造鋁硅合金；該材料經(jīng)壓力鑄造成圓棒，477 ℃固溶處理1 h后油淬，空冷24 h后在240 ℃下時(shí)效7.5 h。試驗(yàn)鋁硅合金的化學(xué)成分見表1，室溫下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為212 MPa和255 MPa。

表1 Al-12Si-CuNiMg鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of Al-12Si-CuNiMg aluminum alloy (mass) %

將時(shí)效態(tài)圓棒機(jī)加工成如圖1所示的圓柱形疲勞試樣，對表面進(jìn)行拋光，使其表面粗糙度低于0.32 μm，以減小表面加工質(zhì)量對疲勞性能的影響。采用MTS809型電液伺服拉-扭疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多軸加載疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境為室溫。對疲勞試樣同時(shí)施加頻率為10 Hz的軸向力F和扭矩T的正弦波對稱循環(huán)載荷。2種載荷與試樣應(yīng)力的關(guān)系分別為

圖1 多軸加載疲勞試樣尺寸Fig.1 Size of multi-axial loading fatigue specimen

(1)

(2)

式中：d為疲勞試樣中部直徑，7.5 mm；σ，τ分別為軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力；σa和τa分別為軸向應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅；f為加載頻率；t為加載時(shí)間；φ為相位角，φ=0時(shí)為多軸比例加載，φ≠0時(shí)為多軸非比例加載。

使用Von Mises準(zhǔn)則將軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力折合成等效應(yīng)力幅σeq：

(3)

對試樣分別施加等效應(yīng)力幅為160，150，140 MPa的比例和90°非比例多軸循環(huán)載荷，最大軸向應(yīng)力與最大剪應(yīng)力之比為1.732。記錄試樣斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，記為疲勞壽命?？紤]到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，基于成組試驗(yàn)法[9]確定每級應(yīng)力水平所需試樣數(shù)量，以多根試樣疲勞壽命的平均值作為其疲勞壽命。

采用JSM-6480型掃描電鏡和Oxford INCA 7573型能譜儀觀察疲勞斷口形貌，并分析微區(qū)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞壽命

由圖2可以看出，試樣的疲勞壽命隨應(yīng)力水平的提高而降低，且在相同載荷類型和應(yīng)力水平下，試樣的疲勞壽命較分散。在160，150，140 MPa等效應(yīng)力幅下多軸比例加載試樣的平均疲勞壽命分別為55 502，152 214，206 380周次，90°非比例加載試樣的平均疲勞壽命分別為3 403,9 674,22 453周次。在相同等效應(yīng)力幅下，非比例加載試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)低于比例加載試樣的。這是由于非比例加載時(shí)，主應(yīng)力軸的連續(xù)旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞壽命下降。

圖2 不同應(yīng)力水平和加載方式下試樣的疲勞壽命Fig.2 Fatigue lives of specimen with different stress levels and loading methods

分別選用最大主應(yīng)力幅和MATAKE[10]提出的損傷參量對試樣進(jìn)行疲勞壽命估算。最大主應(yīng)力幅的多軸加載疲勞壽命估算模型為

Δσ1max/2=σ′f(2Nf)b

(4)

式中：σ′f和b為材料拉伸疲勞特性參數(shù)，分別取398 MPa和-0.084 3；Nf為疲勞壽命；Δσ1max/2為最大主應(yīng)力幅。

比例和90°非比例加載時(shí)，Δσ1max/2與σa和τa的關(guān)系為

(5)

臨界面損傷參量的Matake多軸加載疲勞壽命估算模型[10]為

Δτmax/2+kσn,max=τ′f(Nf)b0

(6)

式中：τ′f和b0為材料扭轉(zhuǎn)疲勞特性參數(shù)，分別為253.5 MPa和-0.082；k為材料特性參數(shù)，取0.2;Δτmax/2為最大剪應(yīng)力幅;σn,max為最大剪應(yīng)力幅臨界面上的最大法向應(yīng)力。

比例和90°非比例加載時(shí)，Δτmax/2與σa和τa的關(guān)系為

(7)

由圖3可以看出：比例加載下，兩種模型的疲勞壽命估算值與試驗(yàn)值均具有較好的一致性，試驗(yàn)值除以估算值基本在2倍誤差因子內(nèi)；非比例加載下，最大主應(yīng)力模型的疲勞壽命估算值均超出了兩倍誤差因子范圍，最大達(dá)20倍，而Matake模型的估算精度仍較好。這表明最大主應(yīng)力模型并不適合該材料在非比例載荷下的多軸疲勞壽命估算，而Matake模型適用于2種加載方式。

圖3 兩種模型估算的疲勞壽命與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of estimated fatigue life by two models and test results:(a)maximum principal stress model and Matake model

2.2 斷口形貌

以在等效應(yīng)力幅140 MPa下非比例加載17 904周次斷裂的試樣為例進(jìn)行斷口分析。由圖4可以看出，試樣疲勞斷口宏觀上呈無塑性變形的脆性斷裂特征，斷口表面存在向四周輻射的放射狀條紋。放射條紋是由疲勞裂紋沿一系列具有高度差的宏觀平面向周圍擴(kuò)展而形成的[11]，放射條紋的方向即為裂紋擴(kuò)展方向，逆向指向裂紋源區(qū)。疲勞裂紋在試樣的近表面處萌生。這是因?yàn)樵嚇颖砻娴木Я]有受到約束，更容易發(fā)生塑性變形產(chǎn)生較大應(yīng)力。高的應(yīng)力集中使得裂紋更容易在試樣表面的第二相以及基體的界面、缺陷、夾雜物和氣孔等位置形核[12-13]。

圖4 在等效應(yīng)力幅140 MPa下非比例加載后試樣的斷口宏觀形貌Fig.4 Fracture macromorphology of the sample after nonproportional loading at equivalent stress amplitude of 140 MPa

由圖5可以看出，在等效應(yīng)力幅為140 MPa的非比例加載條件下，試樣的疲勞裂紋起源于近表面夾雜物處。能譜分析表明,該夾雜物為Al2O3。氧化夾雜物是在熔體冷卻過程中氧化形成的。夾雜物與鋁基體的彈性模量不同，其周圍易產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力集中而萌生裂紋[14]。

圖5 在等效應(yīng)力幅140 MPa下非比例加載后試樣斷口微觀形貌Fig.5 Fracture micromorphology of the sample after nonproportional loading at equivalent stress amplitude of 140 MPa:(a)crack source region and (b)crack propagation region

疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理穿晶脆性斷裂特征:斷口由許多解理小刻度面和撕裂棱組成，且撕裂棱凸起，呈花瓣?duì)?，表面均未發(fā)現(xiàn)疲勞條帶。此外，裂紋擴(kuò)展區(qū)還存在二次微裂紋。

3 結(jié) 論

(1)Al-12Si-CuNiMg合金的疲勞壽命測試值較分散，在相同等效應(yīng)力幅下，非比例加載試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)低于比例加載試樣的；比例加載時(shí)，最大主應(yīng)力模型和Matake模型的疲勞壽命估算值均具有較高的精度，非比例加載時(shí)，最大主應(yīng)力模型的估算誤差較大，但Matake模型的估算精度仍較高。Matake模型適用于該材料的多軸疲勞壽命估算。

(2)多軸加載下試樣發(fā)生脆性斷裂；裂紋源位于近表面氧化夾雜物處，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理穿晶斷裂特征，且伴有二次裂紋。