郭玉佩， 王彬文， 劉小川， 白春玉， 楊 強(qiáng)

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065)

飛機(jī)在著陸/著艦狀態(tài)下，其起降裝置及機(jī)體連接區(qū)域結(jié)構(gòu)遭受直接或間接的多次沖擊載荷作用，材料在多次沖擊載荷作用下動(dòng)力學(xué)特性是工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究密切關(guān)注的焦點(diǎn)問題。7075-T7351鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，具有較好的強(qiáng)度、斷裂韌度和抗腐蝕特性，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)以該材料為研究對(duì)象，利用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了7075-T7351多次沖擊試驗(yàn)，研究了沖擊能量、沖擊次數(shù)、缺口對(duì)材料沖擊性能的影響以及材料在多次沖擊下的變形規(guī)律。

多次沖擊試驗(yàn)是獲得金屬材料多次沖擊性能以及分析其失效機(jī)理的主要研究手段[1]。程巨強(qiáng)等[2]發(fā)現(xiàn)Cr-Si-Mn-Mo系新型貝氏體鋼中的殘余奧氏體延緩多次沖擊載荷下的裂紋擴(kuò)展；余釗輝等[3]發(fā)現(xiàn)表面氮化處理可以提升高能量沖擊下38CrMoAlA鋼的多次沖擊裂紋萌生壽命，但在低能量下效果不明顯；何柏林等[4]通過試驗(yàn)未溶鐵素體含量為10%左右時(shí)42CrMo鋼的裂紋萌生壽命和斷裂壽命最高；李會(huì)會(huì)等[5]發(fā)現(xiàn)提高沖擊能量和溫度均會(huì)降低WC-Co硬質(zhì)合金的多次沖擊壽命；張倩茹[6]通過分析沖擊壓縮試驗(yàn)結(jié)果獲得了純鐵、45鋼形變量與沖擊次數(shù)、應(yīng)力、沖擊頻率的關(guān)系；徐梅[7]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了1Cr18Ni9Ti蠕變應(yīng)變率與沖擊次數(shù)、層深、應(yīng)力的關(guān)系式；郁佳莉[8]通過紫銅的低應(yīng)力多次沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其存在循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象；李四超等[9]以沖擊能量作為尺寸縮放依據(jù)，采用擺錘試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果推知舵板的多次沖擊壽命；楊東方等[10]提出了腐蝕沖擊疲勞的概念并進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鹽水對(duì)300M材料的裂紋擴(kuò)展壽命有重要影響；陳鼎等[11]通過分析斷口發(fā)現(xiàn)WC-Co合金中在多次沖擊下裂紋萌生于缺陷處；張萌[12]研究發(fā)現(xiàn)小能多次沖擊過程中沿晶裂紋最容易產(chǎn)生，另外還引入了Paris公式分析多次沖擊裂紋擴(kuò)展。

以上的研究材料普遍為純鐵、鋼、硬質(zhì)合金等，在研究不同加載條件對(duì)多次沖擊性能影響時(shí)采用的加載方式多為沖擊壓縮，而7075-T7351鋁合金三點(diǎn)彎的多次沖擊研究較少。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

參考《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 229—2007)設(shè)計(jì)3種試驗(yàn)件，試驗(yàn)件厚度為10 mm，長(zhǎng)度、寬度及缺口尺寸如圖1所示，材料為7075-T7351，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。試驗(yàn)包括無缺口試樣單次沖擊、無缺口試樣多次沖擊和缺口試樣多次沖擊，試驗(yàn)矩陣如表3所示。

R為半徑圖1 3種沖擊試樣Fig.1 Three kinds of impact specimens

表1 7075鋁合金化學(xué)成分

表2 7075-T7351力學(xué)性能

表3 沖擊試驗(yàn)矩陣

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

采用INSTRON 9350試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)、夾具及試驗(yàn)方法如圖2所示。試驗(yàn)機(jī)沖擊能量范圍為0.59～1 800 J，沖擊速度范圍為0.77～24 m/s。試樣支撐方式為兩端簡(jiǎn)支，跨距為40 mm，使用兩種質(zhì)量的落錘，分別為2.489 kg、4.989 kg，記為沖錘1和沖錘2。在試驗(yàn)件側(cè)面中心部位粘貼應(yīng)變片，方向與試驗(yàn)件長(zhǎng)度方向保持一致，如圖2所示。試驗(yàn)中采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量試驗(yàn)件動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)。試驗(yàn)開始后錘體下落沖擊試樣，錘頭上的傳感器測(cè)量沖擊過程中的載荷，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量試樣的應(yīng)變；沖擊完成后試樣歸位，試驗(yàn)機(jī)提錘，進(jìn)行下一次沖擊。

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、夾具及試驗(yàn)方法示意圖Fig.2 Schematic diagrams of drop hammer impact testing machine, fixture and test method

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

試樣0-1～試樣0-3在準(zhǔn)靜態(tài)加載下載荷-位移曲線如圖3所示，圖3中無缺口試樣加載至1.5 mm，U形、V形缺口試樣加載至斷裂。由載荷-位移曲線可知，無缺口試樣承載能力明顯優(yōu)于缺口試樣，兩種缺口試樣的曲線較為接近，但由于V形缺口試樣應(yīng)力集中系數(shù)較大，其斷裂早于U形缺口試樣。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)載荷-時(shí)間曲線Fig.3 Load-displacement curve under quasi-static condition

2.2 沖擊能量的影響

選擇試樣1-1～試樣1-7研究在單次沖擊加載下沖擊能量對(duì)材料動(dòng)態(tài)性能的影響。試樣對(duì)稱軸(即與沖錘接觸區(qū)域)截面的撓度變化反映了試樣的整體變形，如圖4所示，沖擊一次產(chǎn)生的變形增量包含彈性變形和塑性變形兩部分，即

圖4 試樣的變形增量Fig.4 Deformation increment

Δw=Δwe+Δwp

(1)

式(1)中：Δw為總變形增量；Δwe為彈性變形增量；Δwp為塑性變形增量。

定義吸收功效率為試樣吸收的能量/沖擊能量×100%，在不考慮能量損失的情況下，單次沖擊完成后試樣的彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留，吸收的能量全部用于塑性變形，則吸收功效率的表達(dá)式為

(2)

式(2)中：η為吸收功效率；Ep為試樣塑性變形吸收的能量；E0為沖擊能量。則有

(3)

式(3)中：

(4)

式中：q為彈性功與塑性功的比值；F為沖錘載荷；we為彈性變形造成的位移；wp為塑性變形造成的位移；F、we、wp均為時(shí)間t的函數(shù)。

因此在一次沖擊中，沖擊能量越大，試樣產(chǎn)生的塑性變形越大，q越小，吸收功效率越高。

單次沖擊過程的載荷隨時(shí)間的變化如圖5所示，可以看出隨著沖擊能量的提高，試樣承受的載荷逐漸增大。由圖6可以看出，在沖擊次數(shù)相同時(shí)，峰值載荷隨沖擊能量增大而增大，22 J相比6 J峰值載荷增加了35.47%；吸收功效率隨沖擊能量增大而升高，這與理論分析相符，6 J時(shí)吸收功效率為74.00%，22 J時(shí)增加至88.77%；沖錘的最大位移反映了試樣在一次沖擊中的最大彎曲變形，由表4可知，隨著沖擊能量的提高，變形逐漸增大。

表4 單次沖擊峰值載荷、吸收功效率的變化

圖5 單次沖擊載荷-時(shí)間曲線Fig.5 Single impact load-time curve

圖6 單次沖擊的試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of single impact

2.3 沖擊次數(shù)的影響

選取試樣2-1、2-2、2-3、2-4分別進(jìn)行不同沖擊能量下多次沖擊試驗(yàn)進(jìn)行沖擊次數(shù)對(duì)材料特性的影響研究。如表5、圖7所示，沖擊次數(shù)對(duì)7075-T7351的沖擊響應(yīng)有重要影響。沖擊能量相同時(shí)，試樣在多次沖擊中硬化現(xiàn)象明顯，峰值載荷增大，8 J沖擊能量下第11次沖擊峰值載荷比第1次增加了20.16%；吸收功效率隨沖擊次數(shù)增加而減小，8 J第1次沖擊吸收功效率為76.55%，第11次沖擊時(shí)為68.86%。

表5 不同沖擊能量下多次沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 多次沖擊的試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of repeated-impact

多次沖擊中試樣對(duì)沖擊能量的吸收效率隨沖擊次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，反映出在多次沖擊過程中塑性變形越來越小；較高的沖擊能量下具有較高的能量吸收效率，即沖擊能量越高產(chǎn)生的塑性變形越大，這與單次沖擊的結(jié)論一致。

采用應(yīng)變片測(cè)量試樣的塑性應(yīng)變，應(yīng)變測(cè)量結(jié)果如圖8所示，沖擊過程中試樣發(fā)生彈塑性變形，應(yīng)變達(dá)到峰值，隨后彈性變形恢復(fù)，應(yīng)變值減小，塑性變形保留，應(yīng)變數(shù)值趨于穩(wěn)定，最終的讀數(shù)即為應(yīng)變片粘貼區(qū)域的塑性應(yīng)變值，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣的塑性應(yīng)變呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升的速度越來越慢，反映出單次沖擊造成的塑性應(yīng)變?cè)隽吭絹碓叫?，原因是塑性變形使材料發(fā)生了沖擊硬化，塑性應(yīng)變?cè)隽咳绫?所示，當(dāng)沖擊能量為10 J時(shí)，第5次沖擊引起的塑性應(yīng)變?cè)隽績(jī)H為第1次塑性應(yīng)變?cè)隽康?3.77%；當(dāng)沖擊能量為8 J時(shí)，第12次沖擊引起的塑性應(yīng)變?cè)隽績(jī)H為第1次塑性應(yīng)變?cè)隽康?.20%。無論是單次沖擊還是多次沖擊，無缺口試樣的變形形式均為彎曲，具體表現(xiàn)為試樣上半部分受壓縮，下半部分受拉伸，如圖9所示。

圖8 多次沖擊下試樣的塑性應(yīng)變Fig.8 Plastic strain of specimen underrepeated-impact

表6 試樣塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)

圖9 變形后的無缺口試樣Fig.9 Deformed notch less specimens

2.4 缺口試樣多次沖擊

如圖10所示，缺口試樣在多次沖擊過程中仍然具有類似無缺口試樣的特點(diǎn)：硬化現(xiàn)象、吸收功效率降低等，缺口試樣斷裂時(shí)沿45°最大剪應(yīng)力方向斷裂，如圖11所示；試樣在每次沖擊結(jié)束后不會(huì)產(chǎn)生明顯的彎曲變形，相同能量下不同沖擊次數(shù)的缺口試樣并沒有肉眼可見的差別，即使到試樣斷裂前一次沖擊也是如此，這區(qū)別于無缺口試樣。U形、V形缺口試樣在不同能量下的沖擊至斷裂次數(shù)如表7所示，可以看出對(duì)于同種試樣，能量越大沖斷所需的次數(shù)越少。在特定的能量區(qū)間，試樣斷裂所需沖擊次數(shù)對(duì)能量變化敏感，如對(duì)于U(V)形缺口試樣，4.3 J(3.0 J)時(shí)需要1次沖擊斷裂，而3.3 J(2.0 J)沖擊25次試樣仍未斷裂，沖擊能量與沖擊次數(shù)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，當(dāng)沖擊能量小于某一數(shù)值時(shí)(U形缺口為3.3 J，V形缺口為2 J)，沖斷次數(shù)會(huì)大大增加；另外，U形缺口試樣的承載能力明顯優(yōu)于V形缺口試樣，相同沖斷次數(shù)時(shí)U形缺口試樣的沖擊能量比V型缺口試樣高1.3 J左右?？梢钥闯鰶_擊能量對(duì)缺口試樣斷裂所需沖擊次數(shù)有較大影響。

圖10 缺口試樣試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 The results of notch impact specimen

圖11 斷裂的缺口試樣Fig.11 Fractured notched specimen

表7 兩種缺口試樣斷裂所需的沖擊次數(shù)

2.5 斷口分析

使用掃描電鏡對(duì)試樣的斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)不同沖擊次數(shù)、不同缺口的試樣斷口呈現(xiàn)相似的微觀形貌，斷口特征是多裂紋源沿晶界起裂，宏觀斷口呈現(xiàn)3個(gè)區(qū)：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切區(qū)。剪切區(qū)較小，各區(qū)微觀呈現(xiàn)準(zhǔn)解理與極細(xì)韌窩混合型斷裂，具體如圖12所示，試樣的起裂位置為缺口的中間區(qū)域，存在多個(gè)較為明顯的裂紋源，晶粒橫斷，形成大臺(tái)階，面內(nèi)晶粒剪切形成小臺(tái)階。纖維區(qū)準(zhǔn)解理與面內(nèi)極細(xì)韌窩混合型斷裂，區(qū)內(nèi)可見二相粒子及二相粒子的相界開裂紋，也可見晶粒橫斷，形成裂紋擴(kuò)展方向線。斷口兩個(gè)面的接合處仍是準(zhǔn)解理與面內(nèi)極細(xì)韌窩混合型斷裂。放射區(qū)極細(xì)韌窩與準(zhǔn)解理混合型斷裂，晶粒被剪斷，形成大量剪切臺(tái)階，形成放射線。剪切唇區(qū)準(zhǔn)解理與極細(xì)韌窩混合型斷裂。

3 結(jié)論

進(jìn)行7075-T7351鋁合金多次沖擊試驗(yàn)，研究了沖擊能量、沖擊次數(shù)、以及缺口對(duì)材料沖擊響應(yīng)的影響，可得到以下結(jié)論。

(1)沖擊能量對(duì)沖擊性能有重要影響，峰值載荷、吸收功效率隨沖擊能量的增大而增大。

(2)沖擊次數(shù)對(duì)材料沖擊性能的影響表現(xiàn)為材料的硬化現(xiàn)象，沖擊峰值載荷逐漸增加，吸收功效率降低，每次沖擊產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?cè)隽恐饾u減小。

(3)缺口的引入對(duì)于試樣的抗沖擊能力有明顯影響，不同形狀的缺口對(duì)試樣的抗沖擊能力的影響也不同，U形缺口試樣的抗沖擊能力優(yōu)于V形缺口試樣。

(4)有限次數(shù)以及較為接近的沖擊能量多次沖擊下，7075-T7351微觀斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理與極細(xì)韌窩混合型斷裂，沖擊次數(shù)和沖擊能量對(duì)斷口影響不明顯。