環(huán)境濕度對鑄鋁合金超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響研究

李文凱　崔海濤　溫衛(wèi)東　蘇旭明　 -

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，2100162.北美福特汽車研究與創(chuàng)新中心，迪爾伯恩，密歇根州，美國，48121

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環(huán)境濕度對鑄鋁合金超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響研究

李文凱1崔海濤1溫衛(wèi)東1蘇旭明2CCEngler-PintoJr2

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，2100162.北美福特汽車研究與創(chuàng)新中心，迪爾伯恩，密歇根州，美國，48121

針對鑄鋁合金A356-T6開展了不同環(huán)境濕度下的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗和實驗室環(huán)境濕度下的常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗。由試驗結(jié)果可知，超聲疲勞在干空氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最低，而在蒸餾水環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最高。常規(guī)疲勞在實驗室環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和超聲疲勞在蒸餾水環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率幾乎一致。針對Wei建立的環(huán)境濕度對鋁合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型進(jìn)行了修正，得到了鑄鋁合金A356-T6在任意環(huán)境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型。

鑄鋁合金；超聲疲勞；裂紋擴(kuò)展；環(huán)境濕度

0　引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，汽車發(fā)動機(jī)的一些部件(汽缸體、氣缸蓋等)在其設(shè)計使用壽命中需要經(jīng)受超過108次交變循環(huán)載荷的作用。傳統(tǒng)疲勞試驗受到加載設(shè)備頻率(20～200Hz)的限制，通常局限于107次交變循環(huán)載荷，而無法高效地獲得材料在108次交變循環(huán)載荷作用下的疲勞性能。正是在這種工業(yè)運用背景下，超聲疲勞試驗技術(shù)應(yīng)運而生[1-3]。超聲疲勞試驗的加載頻率為20kHz，可以在極短的時間內(nèi)完成材料在107以上循環(huán)載荷的疲勞試驗，因此超聲疲勞試驗技術(shù)可以加快材料的疲勞試驗的進(jìn)程。雖然使用超聲疲勞試驗技術(shù)可以加速材料的疲勞試驗，但是對一些材料而言其超聲疲勞壽命往往高于常規(guī)疲勞壽命[4-5]。文獻(xiàn)[6-9]已經(jīng)證明環(huán)境濕度可以增加鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增大可以歸咎為材料的“氫脆”效應(yīng)。因此，鋁合金材料的超聲疲勞壽命取決于試驗環(huán)境中的空氣濕度:當(dāng)空氣濕度大，材料的疲勞壽命低；當(dāng)空氣濕度小，材料的疲勞壽命高。由于超聲疲勞試驗的頻率遠(yuǎn)高于常規(guī)疲勞試驗的頻率，在相同的應(yīng)力循環(huán)周次下超聲疲勞裂紋尖端的張開時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)疲勞裂紋尖端的張開時間，因此環(huán)境濕度對超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響遠(yuǎn)大于環(huán)境濕度對常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。

Stanzl等[9]通過鋁合金2024-T3在真空、干空氣(環(huán)境濕度φRH≈3%)以及濕空氣環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗發(fā)現(xiàn)，真空環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展門檻值大于干空氣環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展門檻值，表明即使存在少量的水蒸氣也可以降低鋁合金的裂紋擴(kuò)展門檻值。同時濕空氣環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于干空氣以及真空環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率，說明環(huán)境中的水蒸氣可以加速鋁合金的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率。文獻(xiàn)[10-12]對鋁合金在不同濕度環(huán)境中進(jìn)行的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗得到了相同的結(jié)論，即環(huán)境濕度不僅能夠增大鋁合金的超聲裂紋擴(kuò)展速率而且會降低其超聲疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻值。

本文為了研究環(huán)境濕度對鑄鋁合金疲勞行為的影響，開展了不同濕度環(huán)境(干空氣(φRH<1%)、濕空氣(φRH≈50%)、飽和濕空氣(φRH>99%)和蒸餾水)中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗和實驗室環(huán)境(φRH≈20%)中的常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗，得到了鑄鋁合金A356-T6在不同試驗環(huán)境和試驗頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。最后對Wei[13]建立的鋁合金材料在濕度環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型進(jìn)行了修正，得到了鑄鋁合金A356-T6在任意環(huán)境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型。

1　試驗材料和試驗方法

本文所用的材料為鑄鋁合金A356，合金的熱處理工藝為T6，合金由福特汽車公司提供(圖1a)，其微觀組織如圖1b所示，主要由α-Al基體和Al-Si共晶相組成，其中SDAS表示二次枝晶間距?；瘜W(xué)成分如表1所示，室溫下的靜拉伸性能如表2所示。

(a)鑄鋁合金A356的原始鑄件

(b)鑄鋁合金A356-T6的微觀組織圖1　鑄鋁合金材料A356-T6

本試驗采用飛秒激光技術(shù)預(yù)制初始裂紋。通過在試驗件上利用電火花(EDM)加工方法切割出正反兩個對稱凹面并對其中的一個凹面進(jìn)行精拋光(圖2)，然后利用飛秒激光技術(shù)在試驗件拋光面上預(yù)制初始裂紋。和傳統(tǒng)的激光預(yù)制裂紋技術(shù)相比，飛秒激光的作用時間短(作用時間小于熱傳播的時間)，因此裂紋尖端不會形成熱影響區(qū)，同時，被激光融化的材料會直接從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子態(tài)脫離基體，不會污染試件表面造成裂紋觀測困難。光學(xué)顯微鏡(OM)下的飛秒激光預(yù)制裂紋如圖3a所示，圖3b為飛秒激光預(yù)制裂紋的SEM俯視圖。

表2　鑄鋁合金A356-T6在室溫下的靜拉伸性能

圖2　鑄鋁合金A356-T6超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗件

(a)光學(xué)顯微鏡下的飛秒激光預(yù)制裂紋

(b)飛秒激光預(yù)制裂紋的SEM俯視圖圖3　OM和SEM觀測到的飛秒激光預(yù)制裂紋

超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗在超聲疲勞試驗機(jī)上開展，超聲疲勞試驗機(jī)由UniversityofBOKU設(shè)計制造。試驗應(yīng)力比R=-1，試驗控制方式為位移控制，試驗頻率為20kHz，試驗環(huán)境包括干空氣(φRH<1%)、濕空氣(φRH≈50%)、飽和濕空氣(φRH>99%)和蒸餾水。為了防止試驗件的溫度過高，試驗采用脈沖加載方式，每加載0.1s，暫停2s，從而保證試驗件在整個試驗過程中的溫度不超過25℃。常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗在50kNMTS-810液壓伺服疲勞試驗機(jī)上展開。試驗過程由電腦控制，應(yīng)力比R=-1，采用載荷控制方式，試驗頻率為30Hz，試驗室環(huán)境濕度為φRH≈20%。

超聲疲勞裂紋擴(kuò)展試驗與常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗均采用QuestarMQ-100可移動式長焦顯微鏡測量裂紋長度，其分辨率為2μm。裂紋長度的定義為裂紋兩裂尖之間的水平投影距離(與加載方向垂直)。首先通過Questar長焦顯微鏡記錄當(dāng)前兩裂紋尖端的水平坐標(biāo)位置得到裂紋長度ai，同時記錄當(dāng)前循環(huán)數(shù)Ni，加載一定循環(huán)載荷之后，再次記錄兩裂紋尖端的水平坐標(biāo)位置得到新的裂紋長度ai+1與循環(huán)載荷數(shù)Ni+1。裂紋的擴(kuò)展速率為裂紋長度的增量除以相應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù)增量，即

(1)

2　試驗結(jié)果與分析

超聲疲勞在不同環(huán)境濕度(干空氣、φRH≈50%濕空氣、飽和濕空氣、蒸餾水)和常規(guī)疲勞在試驗室環(huán)境(φRH≈20%)中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線如圖4所示，其中試驗的環(huán)境溫度、應(yīng)力幅值分別取20 ℃、15 MPa。

圖4　鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞與常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(20℃，125MPa)

由圖4可知，環(huán)境濕度對鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率有著顯著的影響：在干空氣環(huán)境中，鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率最低，λ=6×10-12(ΔK)3.412；隨著環(huán)境濕度的增大其超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨之顯著增加，在蒸餾水環(huán)境中鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率達(dá)到最高，λ=5×10-10×(ΔK)1.8306；同時，鑄鋁合金A356-T6在濕度為20%的試驗室環(huán)境中的常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展速率(λ=5×10-10(ΔK)1.746)和超聲疲勞在蒸餾水環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率幾乎一致。

假定鑄鋁合金A356-T6在干空氣、φRH≈50%濕空氣、飽和濕空氣和蒸餾水環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線以及在試驗室環(huán)境中的常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線滿足Paris’定律規(guī)律法則，即可以利用公式λ=C(ΔK)m描述。對圖4中所有的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合即可得到不同試驗環(huán)境濕度和試驗頻率下C和m的值，如表3所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]的研究結(jié)果，鑄鋁合金的裂紋擴(kuò)展速率不僅取決于裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的大小，同時還受到環(huán)境濕度的影響。Wei等[13]提出鋁合金材料在濕度環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率λtot可以分為兩部分：一部分為循環(huán)載荷對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的貢獻(xiàn)λmech，另一部分為環(huán)境濕度對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的貢獻(xiàn)λenv，即

λtot=λmech+λenv

(2)

其中，當(dāng)循環(huán)載荷幅值保持不變時λmech是常數(shù)；λenv和環(huán)境的相對濕度成正比關(guān)系，而與裂紋尖端的張開時間成反比關(guān)系。因此環(huán)境濕度對裂紋擴(kuò)展速率的貢獻(xiàn)正比于參數(shù)p/f(p是濕度環(huán)境中的水蒸氣壓力，f是試驗頻率)。當(dāng)環(huán)境濕度對裂紋擴(kuò)展速率的影響達(dá)到最大之后，λenv達(dá)到最大值，即λtot等于飽和溫度環(huán)境下的λsat(即使再增大環(huán)境濕度，疲勞裂紋擴(kuò)展速率也不會隨之增大)。綜上所述，疲勞裂紋在濕度環(huán)境中的擴(kuò)展速率可以表示如下：

(3)

λtot=λsat

(4)

式中，下標(biāo)s表示臨界值。

超聲疲勞裂紋擴(kuò)展和常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗在不同濕度環(huán)境中的p/f數(shù)值如表4所示。其中超聲疲勞在干空氣環(huán)境中的p/f數(shù)值最低，達(dá)到了1.3×10-4Pa/s；常規(guī)疲勞在實驗室環(huán)境中的p/f數(shù)值最高，達(dá)到了17.3Pa/s。取應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=4MPa?m1/2，由圖4可知鑄鋁合金A356-T6在不同環(huán)境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，如表4所示。

表4　超聲疲勞和常規(guī)疲勞在不同濕度環(huán)境下的p/f數(shù)值

圖5所示為鑄鋁合金A356-T6在不同環(huán)境濕度和試驗頻率下的參數(shù)p/f以及應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=4MPa·m1/2時的裂紋擴(kuò)展速率關(guān)系擬合曲線。由圖5可知，鑄鋁合金A356-T6在不同環(huán)境濕度和試驗頻率下的參數(shù)p/f的飽和值為(p/f)s=2Pa/s。

圖5　不同環(huán)境濕度和試驗頻率下裂紋擴(kuò)展速率與參數(shù)p/f擬合曲線(ΔK=4 MPa·m1/2)

對于本試驗而言，干空氣環(huán)境中空氣的相對濕度低于1%，因此可以認(rèn)為鑄鋁合金A356-T6在干空氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率沒有受到環(huán)境濕度的影響而完全取決于載荷的幅值，因此λmech近似地等于超聲疲勞在干空氣環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率，即λmech=6×10-12×(ΔK)3.412。由圖5可知參數(shù)p/f的臨界值為2Pa/s，因此超聲疲勞在蒸餾水環(huán)境和常規(guī)疲勞在試驗室環(huán)境中環(huán)境濕度對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的貢獻(xiàn)均已達(dá)到最大，取二者的算數(shù)平均值為疲勞裂紋在濕度環(huán)境中的最大擴(kuò)展速率，即λsat=[(5×10-10(ΔK)1.8306+5×10-10(ΔK)1.746)]/2。其中5×10-10(ΔK)1.8306為超聲疲勞在蒸餾水中的裂紋擴(kuò)展速率，5×10-10(ΔK)1.746為常規(guī)疲勞在試驗室環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率。綜上所述，由式(3)可得在鑄鋁合金A356-T6在環(huán)境濕度為50%環(huán)境中的超聲疲勞裂紋預(yù)測擴(kuò)展速率為λ50%=1×10-11(ΔK)3.057。

圖6所示為鑄鋁合金A356-T6在50%濕空氣環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗曲線和根據(jù)Wei[13]的模型(式(3))的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測曲線。由圖6可知，預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展速率要比試驗疲勞裂紋擴(kuò)展速率低，并且隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的減小，兩者之間的差異隨之增大。綜上所述，Wei建立的鋁合金材料在濕度環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型對鑄鋁合金A356-T6并不適用。

圖6　鑄鋁合金A356-T6在50 %濕度環(huán)境下的預(yù)測和試驗疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線(20℃,125MPa,20kHz)

圖7a和圖7b分別是鑄鋁合金A356-T6在實驗室環(huán)境中的常規(guī)疲勞裂紋快速擴(kuò)展(階段Ⅱ)區(qū)域和蒸餾水環(huán)境中的超聲疲勞裂紋快速擴(kuò)展(階段Ⅱ)區(qū)域，由圖可以看到明顯的類似海浪狀的疲勞裂紋擴(kuò)展特征。圖7c～圖7e分別是鑄鋁合金A356-T6在干空氣、50%濕空氣和飽和濕空氣環(huán)境中超聲疲勞裂紋快速擴(kuò)展(階段Ⅱ)區(qū)域，而圖中并沒有出現(xiàn)類似海浪狀的疲勞裂紋擴(kuò)展特征。

文獻(xiàn)[16-17]指出過時效(T7)熱處理的鑄鋁合金基體中GP區(qū)域抗剪切能力相比于峰值時效(T6)熱處理的鑄鋁合金有所提高，而且析出相的尺寸也有很大程度上的增加，因此在濕度環(huán)境中過時效熱處理鑄鋁合金在疲勞試驗中更加傾向于產(chǎn)生類似海浪狀的裂紋擴(kuò)展特征。如圖7所示，鑄鋁合金A356-T6僅在實驗室環(huán)境中常規(guī)疲勞裂紋擴(kuò)展斷口和超聲疲勞在蒸餾水環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展斷口中出現(xiàn)了類似海浪狀的疲勞裂紋擴(kuò)展特征。不難發(fā)現(xiàn)也只有在這兩種情況下參數(shù)p/f的數(shù)值超過了臨界值2 Pa/s，即環(huán)境濕度對裂紋擴(kuò)展速率的影響達(dá)到了最大，由此可以說明峰值時效熱處理狀態(tài)的鑄鋁合金對環(huán)境濕度的敏感性要小于過時效熱處理狀態(tài)的鑄鋁合金對環(huán)境濕度的敏感性。由于Wei建立的濕度環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型利用的是過時效熱處理鋁合金材料，所以對峰值時效熱處理的鑄鋁合金A356-T6在濕度環(huán)境中疲勞裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測不再適用。

(a)125MPa，30Hz，實驗室空氣

(b)125MPa，20kHz，蒸餾水

(c)125MPa, 20kHz,干空氣

(d)125MPa, 20kHz,50%濕空氣

(e)125MPa,20kHz,飽和濕空氣圖7　鑄鋁合金A356-T6在不同濕度環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展階段ⅡSEM圖

綜上所述，針對Wei建立的鋁合金材料在濕度環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型進(jìn)行如下修正：為減小環(huán)境濕度的影響，取水蒸氣壓力p與試驗頻率f比值的平方根作為計算參數(shù)，即

(5)

λtot=λsat

(6)

通過式(5)和式(6)可以預(yù)測鑄鋁合金A356-T6在50%濕空氣(p/f=0.0065Pa/s)環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率為

λ50%=(λsat-λmech)·

(7)

由式(5)得到的超聲疲勞在環(huán)境濕度為50%中的裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測結(jié)果如圖8所示，裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測結(jié)果在應(yīng)力強(qiáng)度因子大于4.5MPa?m1/2時與試驗結(jié)果吻合度比較高，在應(yīng)力強(qiáng)度因子小于4.5MPa?m1/2時略低于試驗結(jié)果。由此可知，式(5)可以預(yù)測任意環(huán)境濕度和試驗頻率下的鑄鋁合金A356-T6的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

圖8　鑄鋁合金A356-T6在Wei模型修正后的預(yù)測裂紋擴(kuò)展速率曲線(20℃，125MPa,20kHz,50%濕空氣)

3　結(jié)論

(1)首次得到了鑄鋁合金A356-T6在干空氣、50%濕空氣、飽和濕空氣和蒸餾水環(huán)境中的超聲疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線和常規(guī)疲勞在實驗室環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率曲線。通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度的增大，超聲疲勞的裂紋擴(kuò)展速率也隨之增大，同時還發(fā)現(xiàn)超聲疲勞在蒸餾水環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率和常規(guī)疲勞在實驗室環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率一致。

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(編輯郭偉)

EffectsofHumidityonUltrasonicFatigueCrackGrowthRateofaCastAluminumAlloy

LiWenkai1CuiHaitao1WenWeidong1SuXuming2CCEngler-PintoJr2

1.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystem,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,210016 2.ResearchandInnovationCenter,Dearborn,MI,American,48121

Severalfatiguecrackgrowthtestsonacastaluminumalloy(A356-T6)wereperformedhereinunderdifferentfrequenciesandhumiditylevels.Theexperimentedresultsshowthatultrasonicfatigueindryairandindistilledwaterhavelowestandhighestcrackgrowthraterespectively.Conventionalfatigueinlabairhasalmostsamecrackgrowthrateasultrasonicfatigueindistilledwater.Wei’sfatiguecrackgrowthratepredictionmodelwasmodified,whichcouldbeusedtopredictthefatiguecrackgrowthrateforpeakagedcastaluminumalloyunderdifferentfrequenciesandhumiditylevels.

castaluminumalloy;ultrasonicfatigue;crackgrowth;environmentalhumidity

2015-11-10

O346.2

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.021

李文凱，男，1987年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院博士研究生。主要研究方向為環(huán)境濕度對鑄鋁合金的超聲疲勞行為以及疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。崔海濤，男，1971年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。溫衛(wèi)東，男，1958年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。蘇旭明，男，1958年生。北美福特汽車研究與創(chuàng)新中心計算材料科學(xué)研究小組組長。CCEngler-PintoJr, 男，北美福特汽車研究與創(chuàng)新中心計算材料科學(xué)研究小組研究員。