鋁/鋁-鎂合金層合板疲勞性能研究*

張麗君，

（北京交通大學 軌道車輛結構可靠性與運用檢測技術教育部工程研究中心，北京100044）

鋁/鋁-鎂合金層合板疲勞性能研究*

（北京交通大學 軌道車輛結構可靠性與運用檢測技術教育部工程研究中心，北京100044）

為同時滿足承載和防腐蝕兩個要求，鐵路濃硝酸罐車罐體選用鋁/鋁鎂合金層合板復合材料，純鋁為其內膽材料，鋁鎂合金為承載材料?，F對上述層合板材料試樣進行疲勞性能試驗以及彈塑性分析，發(fā)現隨著外載的增加，由于層合板兩種材料變形不協調，界面產生應力集中從而造成界面開裂，裂紋向純鋁層擴展，純鋁層斷裂，最終導致層合板斷裂。據此，建立了層合板材料的名義應力—壽命曲線和局部應變—壽命曲線，為濃硝酸罐車罐體的疲勞設計提供重要依據。

鋁/鋁鎂合金層合板復合材料；疲勞試驗；應力—壽命曲線；彈塑性

載重70 t的鐵路濃硝酸罐車主要用于裝運濃度為92.5%及以上的濃硝酸，為了滿足承載和防腐蝕兩個要求，罐體材料選用1060純鋁/5052鋁鎂合金層合板［1］。在冷的濃硝酸中，強度較低的純鋁層表面會生成一層致密的氧化膜，阻止內部材料與濃硝酸接觸，對鋁鎂合金層起到保護作用。鋁鎂合金層強度遠高于純鋁層，主要用于承載，保證罐體的結構強度。由此，層合板的純鋁層或鋁鎂合金層的破壞，均會導致罐體失效。研究表明［2-4］，不同強度材料結合的界面，尤其是結合較弱時，在疲勞過程中，界面處將發(fā)生不同程度的分層，從而對整體構件的疲勞性能產生重要影響，因此有必要進行深入研究。

本文對上述層合板材料試樣進行室內疲勞性能試驗以及ANSYS彈塑性分析。通過疲勞試驗，建立了該層合板材料在不同應力循環(huán)模式下的名義應力—壽命曲線［5］，結合試樣破壞形式分析其破壞機理，之后在有限元軟件ANSYS中，對試樣進行彈塑性分析，從而建立層合板復合材料的局部應變—壽命曲線，為濃硝酸罐車罐體疲勞設計提供依據［6］。

1 疲勞試驗

1.1 試驗方案

試驗設備為MTS810疲勞試驗系統，如圖1所示，目的是建立1060純鋁/5052鋁鎂合金層合板復合材料的名義應力—壽命曲線并分析其疲勞破壞機理。

疲勞試樣基層為厚度19 mm的鋁鎂合金，復層為厚度3 mm的純鋁，試樣尺寸如圖2所示。加載波形為7 Hz正弦波，室內溫度20～30℃，干燥、無腐蝕性氣體。要求試驗系統具有良好的同軸度，使試樣受力對稱，要求靜態(tài)平均值和動態(tài)幅值的最大允許誤差不超過±1%和±3%。

1.2 試驗結果

以應力幅值分別為80，60，50，40 MPa和30 MPa依次由高到低進行疲勞試驗，得到拉壓對稱循環(huán)（R＝－1）、零—拉脈動循環(huán)（R＝0）和零—壓脈動循環(huán)（R＝－∞）下的應力—壽命數據，由試驗數據繪制的名義應力—壽命曲線如圖3?？煽闯?，應力幅相同時，試樣疲勞壽命：拉壓循環(huán)＞零—壓循環(huán)＞零—拉循環(huán)，零—壓循環(huán)與零—拉循環(huán)非常接近。而一般金屬材料試樣疲勞壽命滿足規(guī)律：零—壓循環(huán)＞拉壓循環(huán)＞零—拉循環(huán)［7］。產生差別是因為層合板材料的破壞是界面兩種材料的相對滑移導致的，因此幅值一樣的拉應力和壓應力對其產生基本一樣的破壞作用，從而圖3中曲線②與曲線③非常接近，都低于曲線①。

1.3 疲勞破壞機理分析

各種疲勞試驗載荷下，純鋁/鋁鎂合金復合板疲勞裂紋均起源于粘合界面上，裂紋形成后首先沿橫截面朝純鋁方向擴展，純鋁被破壞后再沿橫截面朝向鋁鎂合金方向擴展并導致試樣最終斷裂，如圖4、圖5所示。分析其破壞機理，首先，界面存在粘合缺陷，易成為疲勞源區(qū)；其次，純鋁和鋁鎂合金強度不同，純鋁的屈服強度很低，為25 MPa，而鋁鎂合金的屈服強度相對較高，為195 MPa［8］，在疲勞試驗載荷下，純鋁易發(fā)生反復的塑性變形，而鋁鎂合金的應力仍然處于彈性范圍內，因此在界面處由于鋁鎂合金的變形約束導致純鋁一側的滑移困難并形成應力集中進而成為疲勞薄弱區(qū)。所有試驗觀測中均發(fā)現裂紋起源于界面，純鋁層出現屈服現象，使得界面分界處隨加載次數的增加逐漸明顯，同時在低應力±40 MPa交變循環(huán)下出現過界面剝離現象，在0～－80 MPa零—壓應力循環(huán)下出現過界面剝離和鋁層的失穩(wěn)現象，說明界面是薄弱環(huán)節(jié)并存在缺陷。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

采用實體單元Solid45模擬疲勞載荷下試樣的彈塑性應力應變響應。建立半個試樣的有限元模型，單元個數為134 914，節(jié)點個數為103 493，界面處及試樣圓弧區(qū)為關鍵部位，進行網格細化（如圖6）。在模型右端面施加約束，左端面施加2 mm的位移載荷，加載方式為逐步加載，設定載荷子步為50步。得到每一個載荷子步下的約束反力，計算出對應的名義應力，與疲勞試驗的加載相對應，讀出相應的應力應變結果。

查得1060純鋁的彈性模量為69 GPa，泊松比為0.31，屈服強度為25 MPa，抗拉強度為69 MPa，伸長率為43%；5052鋁鎂合金的彈性模量為69.3 GPa，泊松比為0.33，屈服強度為195 MPa，抗拉強度為230 MPa，伸長率為12%，根據工程應力與真實應力，工程應變與真實應變之間的轉換關系，描繪出兩種材料的真實應力應變曲線，兩種材料的本構關系均采用雙線性隨動強化模型BKIN模擬［9-10］，如圖7所示。

2.2 仿真結果

當外載為4 t（即名義應力46.63 MPa）時，試樣的等效應力分布如圖8所示，試樣圓弧區(qū)的外側面存在應力集中，界面鋁鎂合金附近應力最高，為73.64 MPa（低于其屈服強度），純鋁層已進入屈服狀態(tài)，應力在25 MPa左右，圖中可見界面處應力的不均勻過渡。

以材料厚度方向為X軸，如圖8，鋁鎂合金表層為X軸0點，每一層單元最大應力值為Y軸建立坐標系，得到沿材料厚度方向應力的變化曲線，如圖9所示，最大應力在試樣圓弧區(qū)外側的材料界面處，并且應力存在階躍現象，兩層材料的應力差值接近50 MPa，界面存在較大的應力集中。

同樣建立沿材料厚度方向彈性應變、塑性應變的變化曲線，如圖10所示，最大總應變（彈性應變與塑性應變之和）發(fā)生在試樣圓弧區(qū)外側的材料界面處，但塑性應變僅在純鋁一側產生。

由上可知，界面的應力集中及其附近純鋁產生的反復塑性應變，使界面成為試樣的最薄弱區(qū)域，產生疲勞裂紋造成試樣斷裂，這與疲勞試驗結果一致。

2.3 局部應變—壽命曲線

當層合板名義應力依次為80，60，50，40，30 MPa時，純鋁層均產生塑性變形，而鋁鎂合金層一直處于彈性階段，界面的局部應變最大，其值依次為1.832 179× 10－3，1.364 358×10－3，1.130 447×10－3，0.896 537× 10－3和0.662 482×10－3，由此繪制出層合板的局部應變—壽命曲線，如圖11所示。

3 結 論

（1）通過疲勞試驗，建立了鋁/鋁鎂合金層合板復合材料在不同應力比下的名義應力—壽命曲線，對于層合板試樣，當應力幅相同時，平均應力的絕對值越大，疲勞壽命越短。

（2）試樣疲勞裂紋形成后首先沿橫截面朝純鋁方向擴展，純鋁被破壞后再沿橫截面朝向鋁鎂合金方向擴展并導致試樣最終斷裂，原因如下：界面存在粘合缺陷，易成為疲勞源區(qū)；兩種材料的強度差別很大，純鋁發(fā)生反復的塑性變形，界面處鋁鎂合金的變形約束導致純鋁一側的滑移困難并形成應力集中。

（3）通過加載位移載荷模擬試樣的彈塑性應力應變響應。結果表明，界面處存在應力集中，界面附近純鋁產生塑性應變，而鋁鎂合金層一直處于彈性階段。

（4）讀出與疲勞試驗對應的名義應力下的界面應變，據此繪制出層合板局部應變—壽命曲線，作為濃硝酸罐車車體疲勞設計的依據。

參考文獻

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Fatigue Performance Study on Aluminum/Aluminum-Magnesium Alloy Laminated Plate

（Engineering Research Center of Structure Reliability and Operation Measurement Technology of Rail Guided Vehicles，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The tank body material of rail tanks for concentrated nitric acid is aluminum/aluminum-magnesium alloy laminated plate to satisfy both requirements of anti-corrosion and force bearing.Aluminum is the inner material and aluminum-magnesium alloy is the load bearing material.In this paper，fatigue test and elastic-plastic analysis for above laminated plate specimens were taken to further study the material mechanical properties.We found that as the load increases，the deformation of the two kinds of materials is inharmonious，which leads to stress concentration and interfacial crack.Then the crack expands to the aluminum layer and makes the fracture of the laminated plate eventually.The nominal stress-life curve and local strain-life curve of the laminated plate material are established which will provide important reference for the tank fatigue design of rail tanks for concentrated nitric acid.

Al/Al-Mg alloy laminated plate；fatigue test；stress-life curve；elastic-plastic research

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.08

1008－7842（2014）05－0035－04

*中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（2011JBM287）

9—）女，碩士研究生（

2014－01－08）