7N01鋁合金材料疲勞失效分析及防護(hù)措施

趙志林

摘 要：以A7N01-T5鋁合金為研究對(duì)象進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并對(duì)斷后試樣進(jìn)行斷口掃描，從微觀分析疲勞裂紋的形成機(jī)理，分析疲勞斷口疲勞源區(qū)特征，最終得出裂紋的形成有三種機(jī)理，即表面滑移帶開(kāi)裂、固體夾雜物和加工缺陷引起的應(yīng)力集中，從材料質(zhì)量、設(shè)計(jì)和工藝三方面進(jìn)行研究，提出鋁合金材料防護(hù)措施，提高材料疲勞性能的方法，延長(zhǎng)疲勞裂紋的起始?jí)勖?/p>

關(guān)鍵詞：鋁合金；疲勞失效；裂紋；防護(hù)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.08.098

1 序言

在工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力總是低于材料的屈服強(qiáng)度，在該應(yīng)力下材料既不會(huì)發(fā)生塑性變形，更不會(huì)發(fā)生斷裂，但是在應(yīng)力重復(fù)作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，材料有可能發(fā)生斷裂。自19世紀(jì)德國(guó)工程師Whler為解決火車軸斷裂問(wèn)題，在控制載荷的條件下測(cè)定第一條疲勞壽命曲線（S-N曲線）以來(lái)，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)件的疲勞研究已有160多年的歷史。材料時(shí)效包括疲勞失效，仍是造成重大經(jīng)濟(jì)損失的一個(gè)原因，其中疲勞失效占總數(shù)的80%以上。1983年美國(guó)商務(wù)部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局完成研究報(bào)告表明，每年由于材料失效而造成的經(jīng)濟(jì)損失，按1982年美元值計(jì)算，達(dá)到1190億美元，約占美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的4%。研究認(rèn)為更好的應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行材料防護(hù)可以消除約1/3的經(jīng)濟(jì)損失，所以良好的防護(hù)措施可延長(zhǎng)材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

本文主要對(duì)A7N01-T5狀態(tài)鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并對(duì)各疲勞斷口進(jìn)行分析，分析疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)宏觀特征和微觀特征，判斷疲勞失效原因，進(jìn)而針對(duì)疲勞失效原因提出相應(yīng)的防護(hù)措施，提高鋁合金材料的疲勞極限，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)件的使用壽命。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

疲勞試驗(yàn)所用材料為國(guó)內(nèi)某鋁業(yè)公司提供的A7N01板材，試樣尺寸為300mm×25mm×8mm，其化學(xué)成分如表1所示，試樣數(shù)量為15個(gè)，進(jìn)行線切割后用2000目砂紙進(jìn)行打磨，疲勞試樣如圖1所示。

試驗(yàn)按照GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》進(jìn)行，應(yīng)力比取R=0，載荷類型為軸向正弦波，規(guī)定試驗(yàn)次數(shù)為107次，試驗(yàn)頻率為40Hz，試驗(yàn)在室溫大氣下進(jìn)行，按照升降法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置為MTS 810kN疲勞試驗(yàn)機(jī)，疲勞斷裂試樣如圖1所示。

3 斷口掃描分析

為進(jìn)一步了解材料的疲勞性能，佐證疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性，對(duì)疲勞試驗(yàn)后試樣進(jìn)行斷口掃描，分析宏觀和微觀疲勞斷口特征，確定試樣的破壞原因。通過(guò)宏觀分析觀察斷口形貌，初步了解斷裂過(guò)程，再通過(guò)微觀分析揭示疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)的特征。為疲勞防護(hù)措施的提出提供依據(jù)。

按照斷口掃描分析可將試樣疲勞斷裂原因分為三類，即表面滑移帶開(kāi)裂，固體夾雜物和加工缺陷引起的應(yīng)力集中。從宏觀和微觀上觀察疲勞斷口，比較斷口異同并分析疲勞損傷過(guò)程。

3.1 表面滑移帶開(kāi)裂

由疲勞斷裂試樣宏觀圖可以看出，疲勞斷口分為三個(gè)區(qū)域：疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和裂紋瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)為圖中標(biāo)注所示位置，其在宏觀試樣上表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)，占斷面尺寸很??；擴(kuò)展區(qū)約占斷面尺寸的1/5，呈平行狀花紋，比較平坦，與主應(yīng)力方向垂直；疲勞瞬斷區(qū)相對(duì)較暗，宏觀形貌較為粗糙，邊緣呈剪切唇形貌。

由疲勞斷裂試樣的微觀圖可得，裂紋源起源于試樣拐角應(yīng)力集中處，有明顯的擠壓痕跡，即塑性條帶滑移導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致試樣疲勞源區(qū)萌生，進(jìn)而經(jīng)歷裂紋擴(kuò)展階段最終使得試樣斷裂。

3.2 固體夾雜物

上圖固體夾雜物疲勞斷口宏觀圖疲勞源區(qū)位于試樣的現(xiàn)行段加工側(cè)，擴(kuò)展區(qū)占試樣截面積的1/2，其他斷口宏觀形貌與塑性條帶滑移斷口宏觀形貌一致。

從斷口微觀形貌可以明顯看出疲勞源區(qū)含有固體夾雜，經(jīng)能譜分析，雜質(zhì)相為富鐵硬脆相，在循環(huán)載荷的作用下，雜質(zhì)相與基體分離，致使應(yīng)力集中，而后裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致試樣斷裂。

3.3 加工缺陷

由上圖可知，疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三個(gè)區(qū)域。疲勞源區(qū)表現(xiàn)為一個(gè)“點(diǎn)”，擴(kuò)展區(qū)占試樣斷面的1/3，其他特征與塑性條帶滑移宏觀斷口形貌一致。

從宏觀上看，裂紋源起源于試樣表面（現(xiàn)行段加工側(cè)），試樣表面有微小的縱向劃痕（砂紙打磨劃痕），在循環(huán)應(yīng)力的作用下導(dǎo)致應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋的形成。

4 防護(hù)措施

絕大多數(shù)機(jī)械零件（如軸、齒輪、彈簧等）都是在交變應(yīng)力下工作的，在變應(yīng)力作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生失效形式即為疲勞斷裂，合理的預(yù)防措施可以大大減少零件的疲勞失效，減少經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)材料疲勞破壞產(chǎn)生原因，可將預(yù)防材料疲勞失效形式分為兩類，第一類是從材料本身考慮，第二類是從后續(xù)設(shè)計(jì)及加工考慮。主要預(yù)防措施由以下幾種。

4.1 材料本身

（1）使材料組織性能均勻，并在金屬材料中加入相應(yīng)合金元素，使材料晶界強(qiáng)化，并在此基礎(chǔ)上細(xì)化晶粒，阻礙微裂紋長(zhǎng)大和連接作用，提高材料的疲勞強(qiáng)度，并大大延長(zhǎng)材料的使用壽命；

（2）提高金屬材料的質(zhì)量，減少材料表層及內(nèi)部缺陷。如雜質(zhì)、氣孔及微裂紋也可提高材料的疲勞壽命，減少失效。

4.2 設(shè)計(jì)方面

合理改善零件結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中。如采用圓角過(guò)渡等，適當(dāng)加大軸肩圓角半徑，降低危險(xiǎn)部位的應(yīng)力峰值，提高零部件疲勞壽命。

4.3 工藝方面

（1）減少表面加工質(zhì)量缺陷，如表面粗糙度過(guò)大、表面刀痕、磨削裂紋和劃傷等。減少應(yīng)力集中，減少裂紋萌生概率；

（2）采用相應(yīng)的熱處理工藝提高材料表面質(zhì)量，如滲碳、滲氮和表面精細(xì)打磨等減少應(yīng)力集中的方法，提高材料的疲勞壽命。

5 結(jié)論

從疲勞試驗(yàn)及斷口掃描結(jié)果可以得出：

（1）疲勞裂紋可以分為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分，其中疲勞源區(qū)域面積很小，疲勞擴(kuò)展區(qū)面積視載荷類型、載荷大小而定，疲勞瞬斷區(qū)所占面積最大，隨著裂紋擴(kuò)展，剩余有效面積不足以抵抗施加應(yīng)力載荷而導(dǎo)致試樣斷裂；

（2）疲勞裂紋的疲勞源產(chǎn)生原因主要有表面滑移帶開(kāi)裂、固體夾雜物和加工缺陷三個(gè)方面；

（3）疲勞失效預(yù)防措施可從材料本身、設(shè)計(jì)和工藝三個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)，減少應(yīng)力集中，減少裂紋萌生的概率，進(jìn)而提高材料疲勞壽命。

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