楊軍，劉華學(xué)，段志華

中車長江車輛有限公司 湖北武漢 430212

1 序言

隨著軌道列車向高速化、輕量化方向的不斷發(fā)展，對高速軌道列車的車體制造材料有了更高的要求，制造輕量化、更加節(jié)能環(huán)保的高速列車勢在必行。鋁合金作為一種密度小、熔點(diǎn)低、比強(qiáng)度大、抗氧化性能優(yōu)異、易于加工的有色金屬，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速列車車體制造中[1]。6mm厚6082-T6鋁合金（屬Al-Mg-Si鋁合金），具有中等強(qiáng)度、較好的塑性以及較低的熔點(diǎn)，通過連續(xù)擠壓技術(shù)易于加工成復(fù)雜截面多孔中空型材，適用于制造車體主體結(jié)構(gòu)[2，3]。生產(chǎn)此類產(chǎn)品斷面復(fù)雜，在擠壓過程中采用分流模（橋式模）擠壓成形，鋁料經(jīng)過模具分流后，成為兩股或多股高塑性材料再經(jīng)過模具焊合室重新焊合后流出模具成形，但是由于模具和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)纫蛩?，合金在擠壓成形后極易引起焊合線部位焊合不良[4，5]，因此對型材的疲勞性能具有非常不利的影響。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為6mm厚6082-T6鋁合金型材，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1、表2。通過分流模擠壓生產(chǎn)各種型材具有效率高、生產(chǎn)周期短、所生產(chǎn)的型材壁厚差較大等優(yōu)點(diǎn)，因此通過分流模擠壓生產(chǎn)的各種橫截面不同的型材已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通制造業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，高塑性材料在高溫真空環(huán)境中經(jīng)擠壓模分成多股金屬，再經(jīng)焊合室焊合后形成型材。在焊合過程中難免會出現(xiàn)孔洞、孔穴以及無損檢測無法檢測出的焊接缺陷，焊合線存在缺陷對型材的疲勞性能影響很大，對于高速行駛的列車來說存在安全隱患。因此，對焊合線疲勞性能的研究十分必要。擠壓成形型材的焊合線位置分布如圖1所示（紅色標(biāo)記為焊合線）。

表1 6082-T6鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 6082-T6鋁合金的力學(xué)性能

圖1 6082-T6鋁合金型材焊合線

2.2 試驗(yàn)方法

對6mm厚6082-T6鋁合金型材焊合線脈動拉伸疲勞試驗(yàn)是按照GB/T 3075—2008 《疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。試驗(yàn)裝置為PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，其技術(shù)規(guī)格為：靜態(tài)負(fù)荷精度±1%，動態(tài)負(fù)荷平均波動度±1%，動態(tài)負(fù)荷振幅波動度±2%。試驗(yàn)過程中采用循環(huán)應(yīng)力比R=0.1，指定循環(huán)壽命取1×107次。在試驗(yàn)過程中疲勞裂紋出現(xiàn)觸發(fā)疲勞試驗(yàn)機(jī)自保護(hù)機(jī)制時，機(jī)器自動卸載并停振，最后記錄循環(huán)次數(shù)，試件安裝如圖2所示。脈動拉伸疲勞試驗(yàn)完成后，對斷裂試件斷口進(jìn)行切割，通過JSM-6360LV型掃描電鏡對脈動拉伸疲勞試驗(yàn)試件斷口形貌進(jìn)行觀察，判斷試件的斷裂位置以及斷裂形式，分析試件斷裂的原因。6mm厚6082-T6鋁合金焊合線疲勞試件尺寸如圖3所示，焊合線在試件正中間（圖1中左數(shù)第二個焊合線）。

圖2 試驗(yàn)過程試件安裝

圖3 脈動拉伸疲勞試驗(yàn)試件尺寸

3 6082-T6鋁合金型材脈動拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了判斷焊合線對6mm厚6082-T6鋁合金型材疲勞性能的影響，對其進(jìn)行脈動拉伸疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)中S-N曲線測定均按常規(guī)方法進(jìn)行，即S-N曲線均是存活率為50%的中值S-N曲線，且部分S-N曲線測定時的試件數(shù)量沒有嚴(yán)格按照有關(guān)要求進(jìn)行。S-N曲線的高應(yīng)力段（即左側(cè)的斜線部分）是按每一應(yīng)力水平取1個試件確定的；S-N曲線的水平段是通過升降法確定的指定壽命為1×107次時的中值疲勞極限σ0.1[6]。通過升降法確定6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材指定壽命為1×107次循環(huán)下的疲勞極限，有4級應(yīng)力水平，有效試件數(shù)11個，由圖4可見共有5個子樣對。因此，由升降法確定的6082-T6鋁合金型材指定壽命1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為

圖4 6082-T6鋁合金型材疲勞極限升降圖

根據(jù)圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果，最終確定的6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材脈動拉伸疲勞（應(yīng)力比R=0.1）的中值S-N曲線，如圖5所示。6mm厚6082-T6鋁合金型材指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為115MPa。

圖5 6082-T6鋁合金型材的中值S-N曲線

圖6 所示為疲勞試驗(yàn)后發(fā)生疲勞斷裂的試件宏觀形貌，可以看出，6082-T6鋁合金型材疲勞裂紋大多數(shù)產(chǎn)生于母材處，說明焊合線對6082-T6鋁合金型材疲勞性能影響不大。

圖7 、圖8所示為6082-T6鋁合金型材疲勞斷裂試樣斷口掃描形貌。由圖7可以看出，各試件斷口處均無夾雜且沒有明顯的焊接缺陷，疲勞試件大多數(shù)從母材位置開裂，說明焊合線對疲勞性能影響不大。通過觀察斷口形貌，可以看出無明顯起裂源（由焊接缺陷引起），各疲勞試件擴(kuò)展區(qū)具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞裂紋清晰，整個擴(kuò)展區(qū)的疲勞裂紋呈河流狀[7，8]分布；當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時發(fā)生斷裂，其終斷區(qū)斷口形貌均為大小不一的淺韌窩以及剪切韌窩，因此確定終斷區(qū)為韌性斷裂。

圖7 典型試件疲勞斷口形貌

圖8 典型試件疲勞斷口形貌

4 結(jié)束語

1）6mm厚擠壓模成形的6082-T6鋁合金型材在指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限為115MPa；疲勞裂紋大多數(shù)是從試件母材邊緣處起裂的，僅一個試件在焊合線邊緣處斷裂，說明焊合線對疲勞性能影響不大。

2）通過JSM-6360LV型掃描電鏡觀察斷口可以看出，6mm厚6082-T6 鋁合金型材疲勞斷口無明顯起裂源（由焊接缺陷引起）；擴(kuò)展區(qū)疲勞紋清晰且呈河流狀分布；終斷區(qū)存在大小不一的等軸淺韌窩以及剪切韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。