余東梅，彭年秀，張銀祥

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

7050鋁合金因具有強(qiáng)度高、韌性好、易于加工、較好的耐腐蝕性能等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器裝備等特殊行業(yè)。其力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)是裝備設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此材料力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)的可靠性就顯得尤其重要[1]。

金屬結(jié)構(gòu)最危險、最不可預(yù)料的事故是結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力脆性斷裂。任何脆性指標(biāo)（如沖擊韌性、缺口韌性）都不足以反映結(jié)構(gòu)材料抵抗低應(yīng)力脆性破壞的能力，而斷裂韌度測試技術(shù)的發(fā)展解決了韌性指標(biāo)和安全使用之間的矛盾。目前斷裂韌度已廣泛應(yīng)用于評價各種材料的韌性水平，為安全設(shè)計(jì)和無損檢驗(yàn)提供了科學(xué)依據(jù)。

應(yīng)力強(qiáng)度因子KI表示在張開型（I型）拉應(yīng)力作用下裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)弱程度，是與應(yīng)力和裂紋長度都有關(guān)的一個復(fù)合力學(xué)參量。當(dāng)KI增大達(dá)到臨界值時，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂，這個臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI值即為KIC值。KIC為平面應(yīng)變下的斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是評定材料阻止裂紋擴(kuò)展的韌性指標(biāo)。

根據(jù)GB/T 4161和ASTME399標(biāo)準(zhǔn)要求，只有當(dāng)斷裂韌度的測試結(jié)果滿足所有的判定條件時，才能獲得有效的斷裂韌度KIC值[2-3]。但在生產(chǎn)檢測中，往往因材料厚度受限、試樣方向不合適或材料本身帶有殘余應(yīng)力（即帶殘余應(yīng)力的試樣在預(yù)制疲勞裂紋時表面裂紋無法擴(kuò)展或出現(xiàn)不規(guī)則的疲勞裂紋增長（裂紋前緣曲率過大））等，導(dǎo)致不能獲得有效的斷裂韌度KIC值[4]。故本文采用7050鍛件和厚板緊湊拉伸試樣（CT）進(jìn)行了平面應(yīng)變斷裂韌度KIC值測定，以探討這三個因素對斷裂韌度KIC值測試結(jié)果的影響，旨在指導(dǎo)斷裂韌度測試試樣的加工，為材料的斷裂韌度檢測提供有效或有意義的KIC檢測數(shù)據(jù)，在滿足生產(chǎn)和工藝研究需求的同時也有助于完善相應(yīng)材料的試驗(yàn)參數(shù)[5]。

1 試驗(yàn)方法

對緊湊拉伸C（T）試樣先預(yù)制滿足條件的疲勞裂紋，然后由拉伸加載時測試軟件自動記錄負(fù)荷及試樣邊緣兩側(cè)張開位移曲線，根據(jù)記錄曲線線性部分規(guī)定的偏置2.0%裂紋擴(kuò)展量來確定對應(yīng)的載荷，最后通過計(jì)算得到相應(yīng)的斷裂韌度KIC值。

本文測試采用HFP5100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，并配備引伸計(jì)EXR5-1X和K1C測試軟件testXpert。

試驗(yàn)所用材料為7050-T7451合金厚板及7050-T7452或T74鍛件，即100 mm、90 mm、70 mm、55 mm等不同規(guī)格的厚板及不同熱處理狀態(tài)下的鍛件。所用試樣均為C（T）緊湊拉伸試樣，見圖1。

圖1 緊湊拉伸試樣

1.1 試樣尺寸的初步確定

試件厚度B與材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC和屈服強(qiáng)度Rp0.2有關(guān)。只有當(dāng)試件尺寸滿足平面應(yīng)變和小范圍屈服的力學(xué)條件時，才能獲得穩(wěn)定的KIC值。根據(jù)緊湊拉伸法規(guī)范對樣品尺寸的要求，確定試件的厚度應(yīng)滿足兩個條件：

式中：B為試樣厚度；W為試樣寬度；a為裂紋長度，包括機(jī)械切口，取值在0.45～0.55 W之間；W-a為試樣韌帶尺寸。

預(yù)先估計(jì)較高的KIC值來確定試樣的尺寸，在試驗(yàn)測得有效的KIC結(jié)果后，對試樣的尺寸進(jìn)行最終的確定。

試樣所用規(guī)格、熱處理狀態(tài)及所加工尺寸、試樣方向、缺口形狀見表1。試樣加工先粗加工，然后進(jìn)行精加工，精加工時機(jī)械切口可以采用銑、線切割、機(jī)加工等方式，以保證加工的精度。機(jī)械切口的尖端越尖越好且應(yīng)當(dāng)對稱，以提高切口尖端的應(yīng)力集中程度，有利于疲勞裂紋的預(yù)置。

表1 7050合金不同規(guī)格、狀態(tài)、不同加工厚度、試樣方向及缺口形狀

1.2 疲勞裂紋的預(yù)制及試驗(yàn)速度

預(yù)制疲勞裂紋的目的是消除機(jī)械切口末端由于機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力，使裂紋塑性區(qū)尺寸減至最小，并制造一條尖銳鋒利的裂紋尖端。預(yù)制的疲勞裂紋應(yīng)保證在試樣的厚度方向上均勻分布，并且在預(yù)期的裂紋擴(kuò)展面兩側(cè)對稱分布。施加的應(yīng)力應(yīng)保證裂紋前緣均勻向前擴(kuò)展，且裂紋不偏離預(yù)期的擴(kuò)展方向。

預(yù)制疲勞裂紋時的循環(huán)載荷采用正弦波加載。應(yīng)力比（R）為0.1。預(yù)制疲勞裂紋開始時的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kfmax不允許超過材料KQ值的80%，在預(yù)制到裂紋總長度最后的2.5%的距離內(nèi)時最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kfmax不能超過KQ值的60%。預(yù)制疲勞裂紋時的總循環(huán)周次在104～106之間。裂紋總長度（切口長度加預(yù)裂紋長度）為0.45～0.55 W之間。

確定斷裂韌度KIC值的應(yīng)力強(qiáng)度因子速率為0.55 MPa·m1/2/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣厚度對試驗(yàn)結(jié)果的影響

選取批號為YC200678、規(guī)格70 mm、屈服強(qiáng)度RP0.2為455 MPa的7050-T7451預(yù)拉伸厚板進(jìn)行測試，將其加工成不同厚度的L-T方向試樣。不同厚度試樣的斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 YC200678批次不同厚度試樣的斷裂韌度測試結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)試樣厚度為20 mm和25.4 mm時，不能獲得有效的KIC值，隨著試樣厚度的增加，斷裂韌度值逐漸減??；當(dāng)試樣厚度為30～50.8 mm時斷裂韌度結(jié)果平均值比較接近且趨于穩(wěn)定。

為進(jìn)一步分析試樣厚度對斷裂韌度結(jié)果的影響，對7050不同規(guī)格的材料的KIC進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 7050不同規(guī)格的KIC測試結(jié)果

從表3分析結(jié)果可進(jìn)一步確定：材料的斷裂韌度測試結(jié)果與試樣的厚度有密切的關(guān)系，只有當(dāng)厚度滿足一定條件時，才能獲有效的KIC值。

相關(guān)資料表明，當(dāng)試樣厚度B/（KIC/RP0.2）2≤0.2時試樣處于平面應(yīng)力狀態(tài)，而在0.2＜B/（KIC/RP0.2）2≤2.5時則處于過渡區(qū)狀態(tài)[6]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，當(dāng)試樣處于過渡區(qū)狀態(tài)時KQ值隨試樣厚度的增加而降低，當(dāng)試樣厚度增大至平面應(yīng)變狀態(tài)時，KQ值趨于穩(wěn)定并相當(dāng)接近KIC（見圖2）。其原因是平面應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋頂端的塑性區(qū)要比平面應(yīng)變狀態(tài)下大很多，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時要消耗更多的塑性變形功，所以平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌度比平面應(yīng)變狀態(tài)下高；若厚度介于二者之間，則試樣表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)下，內(nèi)部處于平面應(yīng)變狀態(tài)，斷裂韌度值也介于二者之間。

圖2 厚度對斷裂韌度和斷裂形態(tài)的影響

因此，要想獲得材料有效的或有意義的KIC值，必須有對試樣的厚度有一個最低的要求。為了保證檢測結(jié)果有效，應(yīng)根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和預(yù)先估計(jì)的KIC值對試樣厚度進(jìn)行預(yù)估，當(dāng)獲得材料的真實(shí)的KIC值時，可以采用較小試樣厚度，以提高試樣加工和檢測進(jìn)度。

2.2 試樣方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響

7050合金不同規(guī)格厚板加工成同一試樣尺寸、不同試樣方向后的斷裂韌度KIC值見表4。

表4 7050合金不同規(guī)格、不同試樣方向下的K IC值

從表4可知：不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 mm）試樣時，L-T方向的偏差較明顯，而T-L的方向比較接近；試樣厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

試樣的試樣方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果有較大的影響。因?yàn)轭A(yù)置裂紋開始出現(xiàn)與樣品的加工精度有關(guān)，在預(yù)制疲勞裂紋長度時試樣切口上下部分發(fā)生彈性變形，應(yīng)力主要集中在機(jī)械切口尖端部分。在彈性變形區(qū)某點(diǎn)的彈性變形與機(jī)械切口的距離不成正比，距開口處越近，其彈性變形越大，應(yīng)力越集中。由于試樣內(nèi)部晶粒分布不一致，裂紋沿試樣不同方向上擴(kuò)展速度不相同，測得的斷裂韌度KIC值也存在差異。通過自動記錄負(fù)荷及試樣邊緣缺口兩側(cè)張開位移曲線即P-V曲線（見圖3），對記錄曲線上線性部分規(guī)定的偏置2%來確定材料的斷裂韌度KIC值。

圖3 7050合金P-V曲線

研究表明，同一厚度上合金的各向異性與第二相分布的各向異性有關(guān)。7050鋁合金厚板中殘留有大量的第二相，主要是未溶的Al2CuMg相及含F(xiàn)e、Si元素的脆性相，這些相以鏈（串）狀形式沿軋制方向分布。這些相會造成合金局部塑性變形能力降低，使得裂紋更容易擴(kuò)展，從而減低了板材的斷裂韌性，同時造成了斷裂韌性的各向異性。當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與第二相粒子排列方向一致時（TL方向、SL方向），裂紋容易沿第二相連續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致該方向的斷裂韌性較低；當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向垂直第二相粒子排列方向時（LT方向），裂紋擴(kuò)展遇到的阻力較大，斷裂韌性有所提高。所以第二相粒子在板材中的分布特征會引起7050鋁合金板材斷裂韌性各向異性。

對于大規(guī)格厚板，厚度越大，其厚度心部變形越不均勻，組織均勻性越差，導(dǎo)致了L-T方向斷裂韌性出現(xiàn)較大波動。

由此，結(jié)合上述測試結(jié)果我們得到一個結(jié)論：對于高規(guī)格材料，取樣尺寸不能太小，雖然得到的結(jié)果是KIC值，但偏差較大，有可能不能全面反映材料特性。因此，在能夠滿足要求的前提下，對高規(guī)格材料，在設(shè)備允許的情況下可以盡量取大厚度，以減小試樣方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。

2.3 試樣殘余應(yīng)力對試驗(yàn)結(jié)果的影響

試樣的厚度已經(jīng)滿足獲得材料有效的或有意義的KIC值的要求，但仍不能獲得有效的或有意義的KIC值。鍛件檢測結(jié)果見表5。

表5 鍛件K1C檢測結(jié)果

從表5數(shù)據(jù)可知：當(dāng)材料的熱處理狀態(tài)為T74時，獲得有效KIC值的概率不大，而當(dāng)熱處理狀態(tài)為T7452時，能真實(shí)反映材料斷裂韌度結(jié)果。其根本原因在于：T74狀態(tài)時，鍛件沒有經(jīng)過預(yù)壓消除材料內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力存在時，會造成在試樣的機(jī)加工過程中殘余應(yīng)力再分配引起試樣變形及彎矩；并且殘余應(yīng)力會疊加在試樣所施加的外力上，使試樣切口處的應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)裂紋尖端應(yīng)力集中，引起疲勞裂紋增長要么裂紋前沿曲率過大，要么裂紋不在平面增長，使所得的KIC或KQ結(jié)果增加。殘余應(yīng)力也會造成P-V曲線上最初彈性部分的直線變成非線性，使測試結(jié)果因殘余應(yīng)力的存在而偏離，不能真實(shí)反映材料的斷裂韌度值。

為了摸索出有效的檢測方法，將殘余應(yīng)力對斷裂韌度結(jié)果的影響減少至最小，查閱相關(guān)資料后[5]，我們設(shè)計(jì)了一種或多種方式來測定材料的斷裂韌度值，測試結(jié)果見表6。

表6 鍛件7050T74不同方式下的K1C值

備注：根據(jù)ASTME399規(guī)定：

（1）試樣兩側(cè)表面處裂紋長度與平均裂紋長度之差都不超過平均裂紋長度的15%。

（2）P max/PQ≤1.1（F max/FQ≤1.1）

（3）韌帶尺寸W-a≥2.5（KQ/RP0.2）2

從表6分析可知：當(dāng)屈服強(qiáng)度在450 MPa左右時，改變?nèi)笨谛螤睿瑢⒅蓖ㄐ稳笨谧優(yōu)樯叫稳笨?，可以獲得有效的KIC值；而當(dāng)屈服強(qiáng)度較低時，加大試驗(yàn)應(yīng)力比，可以改變裂紋前沿曲率過大或者裂紋不在平面增長的現(xiàn)象而獲得的KQ值，該KQ值可以用來評估在無殘余應(yīng)力試樣中獲得的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，指導(dǎo)生產(chǎn)工藝。這種針對7050-T74鍛件因殘余應(yīng)力的存在無法獲得有效的KIC而采取的檢測方式，已用于生產(chǎn)檢測，在指導(dǎo)生產(chǎn)的同時滿足了檢測的需要。

3 結(jié)論

（1）材料的斷裂韌度測試結(jié)果與試樣的厚度大小有密切的關(guān)系，要想獲得材料有效的或有意義的KIC值，必須有對試樣的厚度有一個最低的要求，增大試樣厚度是獲得KIC值的有效方法。但通常在保證檢測結(jié)果有效的情況下，應(yīng)采用較小試樣厚度，提高試樣加工和檢測進(jìn)度。

（2）試樣方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響較大，不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 m）試樣時，LT方向的偏差較明顯，而T-L的方向比較接近；試樣厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

（3）7050-T74鍛件因殘余應(yīng)力的存在而無法獲得有效的KIC值，應(yīng)采取不同的檢測方式：當(dāng)屈服強(qiáng)度在450 MPa左右時采用山形缺口，可以獲得有效的KIC值；而當(dāng)屈服強(qiáng)度較低時，增大預(yù)制疲勞裂紋時的應(yīng)力比，降低殘余應(yīng)力對斷裂韌度值的影響，獲得的KQ值可以用來評估在無殘余應(yīng)力試樣中獲得的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，指導(dǎo)生產(chǎn)工藝。

通過對生產(chǎn)中常出現(xiàn)的斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果影響因素的分析與總結(jié)，不僅可以指導(dǎo)生產(chǎn)，使檢測工作更快捷準(zhǔn)確，而且有助于完善相應(yīng)材料的試驗(yàn)參數(shù)，正確評判或應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果。