A6N01S-T5鋁合金接頭疲勞性能

周成候，夏 寧，吳金津，李東風，曹興華，張明月，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 材料科學與工程學院，四川成都610031）

A6N01S-T5鋁合金接頭疲勞性能

周成候1，夏 寧1，吳金津1，李東風1，曹興華1，張明月2，陳 輝2

（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 材料科學與工程學院，四川成都610031）

A6N01S-T5鋁合金在現(xiàn)代化高速列車中應用廣泛，制造鋁合金高速列車車體時，焊接式最主要的連接方式，據(jù)統(tǒng)計，鋁合金結(jié)構件中90%的斷裂是由承受重復性動載的焊接接頭的疲勞破壞引起的，研究了A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能，結(jié)果顯示，同種焊接接頭帶余高試件比平滑接頭的疲勞強度低，機加工的方式和精度很大程度上影響試件的疲勞性能。

A6N01S-T5鋁合金；疲勞性能；S-N曲線；焊接接頭

0 前言

鋁合金比強度和比剛度高，易于成形，其焊接結(jié)構廣泛應用于航空、航天、交通運輸?shù)裙I(yè)，成為各類交通工具輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[1]。6N01鋁合金以其優(yōu)越的使用性能廣泛應用于高速列車車體中，而焊接是高速列車車體連接的最主要方式。據(jù)統(tǒng)計疲勞破壞是鋁合金結(jié)構件焊接接頭失效的主要方式，而構件的疲勞失效往往是突發(fā)的、災難性的，是引發(fā)安全事故的重要原因[2-5]。因此研究車體鋁合金焊接接頭的疲勞性能，在研究的基礎上提出建議改善接頭疲勞性能可以顯著提高其使用壽命和安全可靠性，對高速鐵路事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗材料和方法

A6N01S-T5鋁合金母材材料成分如表1所示。

表1 A6N01合金化學成分%

采用QSN750火花直讀光譜儀檢測母材材料成分；使用MTS-8100疲勞試驗機進行疲勞性能測試；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌，采用Genesis 2000 XMS能譜分析儀（EDS）進行能譜分析。

試件尺寸及宏觀形貌如圖1所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 3.5mm A6N01S-T5平滑接頭疲勞性能

A6N01S-T5平滑接頭抗拉強度為172 MPa，選擇抗拉強度的80%（140 MPa）作為其疲勞測試的起始應力，此后根據(jù)試驗的具體情況（如斷裂時的循環(huán)次數(shù)等）依次將應力遞減5%～10%直至找到疲勞極限。采用成組測試法和最小二乘法擬合試驗數(shù)據(jù)，可以得到板厚為3.5 mm的A6N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的S-N曲線，如圖2所示，可見對于該試件，8個應力級分布還是非常密集的，雖然有些應力級別下數(shù)據(jù)點有些分散，但這是與接頭的表面狀態(tài)及材料本身的薄厚不均有很大關系的，數(shù)據(jù)基本符合S-N曲線規(guī)律。

圖1 試件宏觀形貌

疲勞斷裂件的宏觀形貌如圖3所示，由圖3可知，裂紋均出現(xiàn)在薄厚板的交接處，此處應力集中程度最大。圖4為試件疲勞斷口的SEM形貌。從整個斷口來看，斷裂區(qū)域并無明顯缺陷。由圖4a可知，斷裂起始于薄厚板交界處，放大Ⅱ區(qū)域和Ⅰ區(qū)域，分別得到圖4b、圖4c，圖4a中疲勞灰紋圓心方向為由左下至右上，而圖4c中疲勞灰紋圓心方向為由右上至左下，因此由疲勞灰紋的指向可知，疲勞源處于圖4d的實線區(qū)域。故對于A6N01S-T5鋁合金接頭，不等厚試件的連接引起的截面變化會造成嚴重的應力集中，降低其接頭的疲勞性能。

圖2 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭平滑試件S-N曲線

圖3 宏觀裂紋位置

2.2 3.5 mm A6N01S-T5帶余高接頭疲勞性能

A6N01S-T5帶余高焊接接頭的抗拉強度為190 MPa，考慮到帶余高的試件應力集中比較嚴重，故選擇了略低于抗拉強度50%（90 MPa）作為其疲勞測試時應力的起始應力，此后根據(jù)試驗具體情況（如斷裂循環(huán)次數(shù)等），依次將應力遞減直至找到疲勞極限。該試件采用的永久墊板，帶余高試件加工時為了保留永久墊板的形狀，前兩批試件采用銑削加工方式，加工的試件表面比較粗糙，如圖5a所示，在銑痕處有應力集中現(xiàn)象，故得到的疲勞極限較低，為50～60 MPa。第3批試件采用磨削加工，將材料上原有的永久墊板磨削去除，使焊縫背面平滑，留有正面余高，如圖5b所示，這種加工方式減小了應力集中，同時使得試件中的焊接殘余應力有所釋放，因此得到的試件疲勞極限較高，達到90 MPa。采用成組法和最小二乘法擬合試驗數(shù)據(jù)，得到試件的S-N曲線，如圖6所示。

圖5 兩種加工方式的疲勞試驗背部

圖6 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭帶余高試件S-N曲線

A6N01S-T5鋁合金帶余高接頭的斷口形貌如圖7所示，首先根據(jù)試驗結(jié)果，所有的該型材的焊接接頭均斷裂在焊根和焊趾，為帶余高試件中應力集中最嚴重的區(qū)域，而疲勞極限非常低，僅50 MPa，所以將重點考察斷口中應力集中的影響。圖7a顯示疲勞源位于試件中部表面的一個半圓形的光滑區(qū)域。由于這里是疲勞的最初萌生部位，因此應力多次循環(huán)作用的結(jié)果使得此部位光滑而且有一些微裂紋形成的臺階，如圖7b所示。對其中一條疲勞臺階進行放大得到圖7c，由圖7c可知，疲勞臺階上有許多疲勞輝紋沿疲勞臺階的山嶺方向擴展，在擴展過程中甚至產(chǎn)生了二次裂紋。并且在圖7a疲勞源的區(qū)域中進行放大，可以看到有輪胎狀壓痕，如圖7d所示，說明在此部位另一個斷口表面上有硬質(zhì)點或者凸起，聯(lián)系6N01鋁合金的成分及組織，很有可能是基體中分布的強化相Mg2Si相在疲勞循環(huán)的閉合過程中造成的。而斷口中部表面的疲勞源主要是應力集中造成的，一方面在接頭上焊跟處是母材和余高的交界處，截面發(fā)生改變，容易發(fā)生應力集中。加之銑削的方法留下的銑痕等都是應力集中的區(qū)域，同時3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭是不等厚的型材焊接而成，應力集中現(xiàn)象更為嚴重，因此其疲勞性能比較差。

圖7 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭帶余高試件斷口

3 結(jié)論

（1）得到了3.5 mm厚A6N01S-T5鋁合金焊接接頭接頭的S-N曲線。（2）其平滑試件的疲勞極限可以達到95 MPa，余高試件的疲勞極限僅可達到50 MPa。（3）試件均斷裂在薄板側(cè)，截面突變引起的應力集中是該試件疲勞性能下降的原因。建議盡量選用母材等厚的焊接接頭，機加工過程中，要依據(jù)相關標準控制加工精度，以免影響接頭使用性能。

[1]丁向群，何國求，陳成澍，等.6000系汽車車用鋁合金的研究應用進展[J].材料科學與工程學報，2005，23（2）：302-305.

[2]劉祥.鑄造合金力學及物理性能[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[3]張定銓，何家文.材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

[4]SH IMIZU K，TORII T，MA Y.Crack opening sliding morphology and stress intensity factor of slant fatigue crack[J]. Key Engineering Materials，2005（297-300）：697-702.

[5]拉伊達.焊接熱效應[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[6]劉新靈，張崢，陶春虎.疲勞斷口定量分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

Research on fatigue property of A6N01S-T5 aluminum alloys

ZHOU Chenghou1，XIA Ning1，WU Jinjin1，LI Dongfeng1，CAO Xinghua1，ZHANG Mingyue2，CHEN Hui2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong Univercity，Chengdu 610031，China）

A6N01 aluminum alloys have a wide application in the field of high speed train，and the main joining method to join the aluminum alloys is welding.It is noted that 90%fracture of the weld joints enduring dynamic load is the fatigue fracture.Fatigue property of the A6N01 aluminum alloy joints is investigated in this paper.According to the results,the same welding joint with high specimen has lower fatigue strength than the smooth，machining way and precision will greatly affect the fatigue performance of the specimens.

A6N01 aluminum alloys；fatigue property；S-N cruve；weld joint

TG457

：A

1001-2303（2015）09-0171-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.39

2014-11-23；

2015-09-12

周成侯（1983—），男，浙江諸譖人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛設計及研發(fā)工作。