A7N01S-T5鋁合金接頭疲勞性能研究

李春廣，隋顯庭，云中煌，夏 寧，張明月，李遠(yuǎn)星，陳 輝

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

鋁合金比強(qiáng)度和比剛度高，易于成形，其焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)，成為地鐵、列車、輕軌、高速列車等輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[1]。7N01鋁合金由日本開發(fā)，具有良好的擠壓性能，能擠壓形狀復(fù)雜的薄壁型材，焊接性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于高速列車車體結(jié)構(gòu)零件[2]。7N01大型鋁合金型材主要用于鋁合金車體斷面梁、底座、側(cè)面構(gòu)件骨架、車架枕梁等；其鍛件還被用作車門拐角處的加強(qiáng)和空氣彈簧托架等部件[3]。

焊接是鋁合金高速列車車體連接的最主要方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金結(jié)構(gòu)件中90%的斷裂是由承受重復(fù)性動(dòng)載的焊接接頭的疲勞破壞引起的，并且構(gòu)件的疲勞失效往往是災(zāi)難性的突出，是引發(fā)安全事故的重要原因[4-6]。因此研究車體鋁合金焊接接頭的疲勞性能，掌握動(dòng)車組各型號(hào)鋁合金焊接接頭的穩(wěn)定運(yùn)行周期對(duì)列車安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

選用厚度為8 mm和15 mm的7N01鋁合金型材進(jìn)行焊接，分別取平滑試件進(jìn)行疲勞性能測試，A7N01S-T5鋁合金母材材料成分如表1所示，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z 2273-1978（金屬材料疲勞試驗(yàn)方法通則）的要求，對(duì)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R=0，載荷種類為軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為20 Hz，疲勞試件尺寸如圖1所示。

表1 7N01合金化學(xué)成分 %

圖1 疲勞試件尺寸

采用QSN750火花直讀光譜儀檢測母材材料成分；使用電-液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行疲勞性能測試；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷裂件斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，并采用Genesis 2000 XMS能譜分析儀（EDS）進(jìn)行能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 板厚8 mm A7N01S-T5接頭疲勞性能

根據(jù)該材料焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為294MPa，選定了抗拉強(qiáng)度的50%（140 MPa）作為其疲勞測試時(shí)應(yīng)力的起始應(yīng)力，此后根據(jù)每次斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，依次將應(yīng)力遞減5%～10%直至找到疲勞極限為止，共進(jìn)行了三組試驗(yàn)，得到了板厚為8 mm A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的疲勞極限數(shù)據(jù)。板厚為8 mm A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的第一組數(shù)據(jù)：當(dāng)應(yīng)力為110 MPa時(shí)，試件重復(fù)周次達(dá)到107而未發(fā)生斷裂，并且在疲勞極限的前一個(gè)應(yīng)力級(jí)為114 MPa，而此時(shí)試件斷裂時(shí)的重復(fù)次數(shù)達(dá)到9×106，說明該組試件的疲勞極限為110MPa。第二組數(shù)據(jù)：當(dāng)應(yīng)力為70 MPa時(shí)，試件重復(fù)周次達(dá)到107而未發(fā)生斷裂，該組試件的疲勞極限為70MPa。根據(jù)第三組數(shù)據(jù)可知，當(dāng)應(yīng)力為70 MPa時(shí)，試件重復(fù)周次達(dá)到107而未發(fā)生斷裂，該組試件的疲勞極限為70MPa?？梢?，三組試件的疲勞強(qiáng)度發(fā)生了較大幅度的波動(dòng)。其中大部分疲勞試件的斷裂位置在焊縫區(qū)，有少部分試件的斷裂位置在焊趾處。

根據(jù)三組疲勞數(shù)據(jù)，采用指數(shù)擬合對(duì)三組數(shù)據(jù)的不同應(yīng)力級(jí)別的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，可以得到板厚為8 mm的A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的SN曲線，如圖2所示，可見疲勞斷裂時(shí)的斷裂次數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)與應(yīng)力級(jí)別基本吻合指數(shù)分布，但極限的波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍70～110 MPa。極限大幅度波動(dòng)的原因：該組試件板厚較厚（8 mm），焊接時(shí)采用三層三道焊，每次焊接時(shí)相當(dāng)于前一道焊縫又經(jīng)歷了一次焊接熱循環(huán)，所以板厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金焊接接頭微觀組織會(huì)由于多次熔化而產(chǎn)生比薄板更多的焊接缺陷。這些缺陷會(huì)提供更多的裂紋源和裂紋擴(kuò)展通道，造成該材料的疲勞性能極其不穩(wěn)定。以下將通過觀察斷口確定疲勞源的方法來證實(shí)這一觀點(diǎn)。

圖2 板厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金接頭S-N曲線

板厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金焊接接頭試件疲勞斷口的SEM形貌如圖3所示。接頭斷裂在焊縫區(qū)域，從整個(gè)斷口來看，板厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金焊縫中有大量的氣孔聚集缺陷，而該試件斷裂位置在焊縫區(qū)，必須考慮氣孔缺陷對(duì)接頭疲勞性能的影響。圖3a位于斷口中部表面的位置，此是氣孔群的聚集所在地。放大圖3a黑色框圖后得到圖3b，可以看到很多氣孔聚集在此區(qū)域，還有一些疲勞二階段擴(kuò)展的臺(tái)階，對(duì)臺(tái)階進(jìn)行放大得到圖3c，可以看到疲勞條帶，由于此區(qū)域氣孔聚集，導(dǎo)致疲勞條帶的走向發(fā)生改變，但可以看出疲勞條帶是圍繞著氣孔生長的，因此可以確定該試件的疲勞源是氣孔聚集區(qū)域（見圖3b）。對(duì)其中一個(gè)氣孔進(jìn)行放大（見圖3d），發(fā)現(xiàn)氣孔內(nèi)表面光滑，并且呈現(xiàn)很多沿晶裂紋，這些裂紋是在外部載荷循環(huán)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的，并造成了沿晶開裂，這些裂紋與氣孔本身為疲勞裂紋的起源。正因?yàn)闅饪兹毕荼姸啵瑢?dǎo)致該試件疲勞強(qiáng)度很低，在應(yīng)力為140 MPa時(shí)，經(jīng)過373918次循環(huán)應(yīng)力就發(fā)生斷裂。

圖3 板厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件斷口形貌

2.2 板厚15 mm A7N01S-T5接頭疲勞性能

根據(jù)前期所測定的該材料焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為294 MPa，選擇了該材料焊接接頭的抗拉強(qiáng)度的50%左右（145 MPa）作為疲勞測試時(shí)應(yīng)力的起始應(yīng)力，此后根據(jù)每次斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，依次將應(yīng)力遞減5%～10%直至找到疲勞極限為止，得到了板厚為15 mm A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的疲勞極限。應(yīng)力為70 MPa時(shí)，試件重復(fù)周次達(dá)到107而未發(fā)生斷裂，該試件的疲勞極限為70 MPa。

采用指數(shù)擬合對(duì)不同應(yīng)力級(jí)別的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，可以得到板厚為15 mm的A7N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的S-N曲線，如圖4所示，可見疲勞斷裂時(shí)的斷裂次數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)與應(yīng)力級(jí)別基本吻合，但疲勞極限值較低，只有70 MPa。

如圖5所示，板厚15 mm A7N01S-T5鋁合金平滑試件的斷口形貌顯示斷口的表面為裂紋的起源地，此處顏色比其他地方略深，是最早發(fā)生塑性變形的區(qū)域，且可以看到疲勞特征放射性條紋，由條紋指向也可發(fā)現(xiàn)疲勞源在近表面處。圖5a白色框區(qū)處有若干聚集的氣孔，圖5b則發(fā)現(xiàn)大量放射性條紋均指向一個(gè)巨大的氣孔，放大此氣孔（見圖5c），此氣孔尺寸很大，為直徑400 μm的氣孔。在該氣孔周圍可以明顯看到疲勞從此處萌生，且在氣孔內(nèi)壁隱約可見疲勞輝紋。最重要的是，此氣孔已經(jīng)暴露于表面（見圖5c），暴露在表面的氣孔直徑約為280μm，顯然會(huì)造成嚴(yán)重的缺口效應(yīng)，引起應(yīng)力集中。這也是板厚為15 mm的A7N01S-T5鋁合金平滑試件的疲勞強(qiáng)度僅為70 MPa的原因。

3 結(jié)論

（1）得到了板厚8 mm A7N01S-T5鋁合金接頭的疲勞數(shù)據(jù)一覽表及其S-N曲線。其平滑試件的疲勞強(qiáng)度為70～110 MPa，波動(dòng)較大，主要原因是多道多層焊的接頭質(zhì)量不穩(wěn)定，暴露在表面的大量氣孔引起了應(yīng)力集中會(huì)造成性能下降。

圖4 板厚為15 mm A7N01S-T5鋁合金S-N曲線

圖5 15 mm A7N01S-T5鋁合金平滑試件斷口形貌

（2）得到了板厚15 mm A7N01S-T5鋁合金接頭的疲勞數(shù)據(jù)一覽表及其S-N曲線。其平滑試件的疲勞強(qiáng)度為70 MPa。裂紋源主要是因?yàn)槎嗟蓝鄬雍笗r(shí)產(chǎn)生的氣孔。平滑試件上存在大量暴露在表面的氣孔，其引起的應(yīng)力集中造成性能下降。

（3）試驗(yàn)所用試件中均有不同數(shù)量的氣孔，可見7N01材料焊接過程中要注意避免氣孔的產(chǎn)生，另外，隨著厚度的增加，氣孔數(shù)量在統(tǒng)計(jì)規(guī)律上呈上升趨勢，致使厚板疲勞性能降低。

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