6082-T6鋁合金的疲勞性能研究

李可

6082-T6鋁合金的疲勞性能研究

李可

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

疲勞斷裂在鋁合金構(gòu)件中發(fā)生的概率非常大，是其發(fā)生斷裂的主要形式。目前鋁合金材料被廣泛用于制造業(yè)，如高速列車制造等，但同時(shí)由于鋁合金本身存在的疲勞失效問題導(dǎo)致其應(yīng)用受限，因此解決鋁合金的疲勞失效問題對制造業(yè)的輕量化目標(biāo)有重大意義。本文在6082-T6鋁合金基本力學(xué)性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了在不同置信度和存活率下，橫向軋制的6082-T6鋁合金板材的疲勞性能。結(jié)果顯示，置信度50%、存活率50%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是161.67 MPa；置信度90%、存活率90%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是151.55 MPa；置信度95%、存活率95%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是146.63 MPa。制作三種置信度和存活率下的-曲線，為預(yù)測6082-T6鋁合金的疲勞性能提供數(shù)據(jù)支持。

6082-T6鋁合金；疲勞性能；疲勞強(qiáng)度

隨著我國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，列車的整體輕量化成為高速列車?yán)^續(xù)提速的關(guān)鍵舉措。6082-T6鋁合金是高速列車制造的理想材料，屬于A1-Mg-Si系合金，其強(qiáng)化相為Mg2Si，抗拉強(qiáng)度160～320 MPa，延伸率≥8%，是一種可熱處理強(qiáng)化的鋁合金[1]，具有中等強(qiáng)度、低密度、良好的耐蝕性、優(yōu)良的加工性能和焊接性能[2]。鋁合金的疲勞耐損傷性能是其在工程應(yīng)用中的關(guān)注重點(diǎn)[3]。6082-T6鋁合金在使用過程中的應(yīng)力條件非常復(fù)雜。啟動(dòng)、操作和停止高鐵時(shí)，高鐵將承受復(fù)雜的應(yīng)力，例如震顫。使用應(yīng)力對6082鋁合金的抗疲勞性和斷裂性能有重要影響[4]。因此，研究6082鋁合金在不同應(yīng)力比下的疲勞特性在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都具有重要的價(jià)值。

本文對高速列車中常用的6082-T6鋁合金的疲勞性能進(jìn)行了研究，獲得了較為全面的疲勞結(jié)果，為6082-T6鋁合金材料疲勞壽命及疲勞強(qiáng)度的預(yù)測提供了數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料

6082-T6化學(xué)成分如表1所示，測試采用水平滾動(dòng)的6082-T6鋁合金薄板，通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了強(qiáng)化處理，然后進(jìn)行了6082-T6鋁合金的基本力學(xué)性能測試和材料疲勞性能測試。

表1 6082-T6鋁合金的化學(xué)成分

2 基本力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 金相組織觀察

在光學(xué)顯微鏡下獲得鋁合金焊接接頭及母材顯微組織特征，以分析不同脈沖頻率對鋁合金顯微組織的影響。

金相試樣的取樣方式為：垂直于軋制方向用不同粗糙度的砂紙進(jìn)行打磨，清洗后在拋光機(jī)上進(jìn)行同一方向的拋光，使得拋光表面沒有劃痕。腐蝕液采用混合酸（體積比HF:HCl: HNO3:H2O＝1:1.5:2.5:95），在室溫下腐蝕鋁合金20～30 s后，酒精清洗。在蔡司光學(xué)顯微鏡（AX10 ZEISS）下觀察6082-T6鋁合金母材區(qū)域的顯微組織，如圖1所示，觀察過程中應(yīng)防止試樣劃傷，母材組織由α-Al基體與Mg2Si強(qiáng)化相組成，在基體上彌散分布著細(xì)小的強(qiáng)化相Mg2Si，這種分布特性有助于提高及改善母材微觀組織性能。

圖1 6082-T6鋁合金顯微組織

2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)的目的是獲得焊接接頭的靜拉伸性能。對6082-T6鋁合金母材的拉伸試驗(yàn)參照GB/T 228－2010《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法》中金屬材料在室溫下的拉伸試驗(yàn)方法制成矩形截面的拉伸試樣，如圖2所示，厚度是拉伸樣品時(shí)的實(shí)際厚度。為了確保測試的準(zhǔn)確性，采用DNS300和WDW3100微電腦控制的電子萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)，設(shè)定拉伸速度為3 mm/min。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，選擇了3個(gè)樣品進(jìn)行拉伸測試。

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖（單位：mm）

由表2、圖3可知，6082-T6鋁合金母材抗拉強(qiáng)度均位于264～291 MPa，屈服強(qiáng)度均位于230～250 MPa，斷后伸長率均位于13.1%～15.0%。

表2 6082-T6鋁合金焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 6082-T6鋁合金母材的拉伸斷口

2.3 彎曲試驗(yàn)

采用DNS300微機(jī)控制的電子萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)在常溫下對6082-T6鋁合金母材彎曲試樣1#-1、1#-2、1#-3進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲直徑為40 mm，彎曲角度為180°，所有試樣試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋或開裂，彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.4 硬度測試結(jié)果及分析

對6082-T6鋁合金的母材硬度采用數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行測試，測試過程中應(yīng)保證每個(gè)點(diǎn)的測試參數(shù)一樣，硬度測試的加載載荷1 kg，放大倍數(shù)為10X，保荷保持10 s，測試結(jié)果如圖4所示。

可以看出，母材的硬度值為85～95 HV，總體是趨于平滑，在母材中硬度值總體差不大，這說明母材中組織成分較為均勻。從6082-T6鋁合金的維氏硬度結(jié)果中可以看出，軋制后的6082-T6的顯微組織是鋁基體，在基體上分布有Mg2Si相以及一些富鐵夾雜相，這些第二相尺寸較大。由于這些過飽和相的存在，經(jīng)過固溶處理的鋁合金過飽和固溶體增多使得強(qiáng)度增加，再經(jīng)過時(shí)效過程，這些過飽和的固溶體又析出，強(qiáng)化效果更加明顯。

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

疲勞性能測試的目的是獲得條件疲勞極限和-曲線，從-曲線可以得出材料的疲勞性能。疲勞測試參考GBT 3075－2008《金屬材料疲勞測試軸向力控制方法》，在RUMUL高頻疲勞測試機(jī)上進(jìn)行。高頻疲勞試驗(yàn)是根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)共振原理和多自由度機(jī)械模型設(shè)計(jì)的。采用軸向拉力試驗(yàn)，應(yīng)力比＝0，試驗(yàn)頻率90～110 Hz，加載力形式通常為正弦波，常溫下試驗(yàn)溫度為20～22 ℃。通常認(rèn)為，在循環(huán)應(yīng)力下的最大載荷數(shù)達(dá)到107次，材料將永遠(yuǎn)不會(huì)破裂，也就是說，在107個(gè)循環(huán)中沒有破裂的應(yīng)力是有條件的疲勞極限。疲勞試樣如圖5所示，需要通過線切割進(jìn)行處理，要求將光滑的樣品仔細(xì)研磨以避免局部應(yīng)力集中，厚度是樣品的實(shí)際厚度。

升降法是在指定循環(huán)基數(shù)（107）下測定疲勞極限，這種方法適用于長壽命區(qū)，就是材料的疲勞壽命可以達(dá)到108或108循環(huán)以上的情況。疲勞試驗(yàn)應(yīng)該選擇在3～5個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行，這樣得出的數(shù)值更加準(zhǔn)確，首先在選定的應(yīng)力級下進(jìn)行高頻疲勞試驗(yàn)，若試樣斷裂則在低于該應(yīng)力水平下繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，若試樣沒有斷裂，則提高應(yīng)力水平繼續(xù)試驗(yàn)，直到獲得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，停止試驗(yàn)[5]。

成組法疲勞試驗(yàn)采用4～5個(gè)應(yīng)力級[6]，再將測定結(jié)果在一1g坐標(biāo)上擬合成-曲線。各級應(yīng)力水平如下：第一級應(yīng)力水平1，對光滑圓試樣取0.6σ～0.7σ，對缺口試樣取0.3σ～0.4σ；自第二級應(yīng)力起，各級應(yīng)力水平依次減小30～40 MPa。如果在某一級應(yīng)力水平下的各個(gè)疲勞壽命中，出現(xiàn)越出（即大于規(guī)定的107循環(huán)周次）[7]，則這一組試樣的50不按上述公式計(jì)算而取該組疲勞壽命排列的中值。

分別研究6082-T6鋁合金板材在置信度（1－）＝50%、存活率＝50%時(shí)，置信度（1－）＝90%、存活率＝90%時(shí)，置信度（1－）＝95%存活率、＝95%時(shí)的-曲線。數(shù)據(jù)處理參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24176－2009《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》[8]和《疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)》[9]，用成組試驗(yàn)法對疲勞壽命進(jìn)行雙對數(shù)線性回歸[10-11]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 升降法疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次疲勞試驗(yàn)選擇165 MPa作為升降法試驗(yàn)的第一個(gè)應(yīng)力級，每次應(yīng)力增量為5 MPa。升降法疲勞數(shù)據(jù)如表3所示，1號試樣循環(huán)次數(shù)在165 MPa應(yīng)力級下在規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)斷裂，因此2號試樣降低一個(gè)應(yīng)力級梯度繼續(xù)試驗(yàn)，結(jié)果顯示2號試樣在規(guī)定循環(huán)次數(shù)內(nèi)未斷裂，則3號試樣升高一個(gè)應(yīng)力級梯度繼續(xù)試驗(yàn)，根據(jù)試樣在規(guī)定循環(huán)次數(shù)和對應(yīng)應(yīng)力級下的斷裂情況，依次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，有效數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求即可。如圖6所示，升降圖共四級應(yīng)力水平，最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)力級是160 MPa，試樣發(fā)生斷裂。如果進(jìn)行下一次試驗(yàn)，應(yīng)力級應(yīng)選為165 MPa，與起點(diǎn)1處于同一應(yīng)力水平，故屬于閉合式升降圖。根據(jù)升降圖將相鄰應(yīng)力級各數(shù)據(jù)點(diǎn)依次配成對子，恰好配成6對，如表4所示。

表3 升降法疲勞數(shù)據(jù)

圖6 6082-T6鋁合金疲勞極限升降圖

對子的平均值為：

＝161.67 MPa

對子的標(biāo)準(zhǔn)差：＝3.76 MPa

故當(dāng)（1－）＝95%、＝95%時(shí)，有：

故升降法試驗(yàn)所取數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)滿足要求。

升降法疲勞數(shù)據(jù)分析如表5所示。

表4 升降法疲勞數(shù)據(jù)配對

表5 升降法疲勞數(shù)據(jù)分析

為變數(shù)值；f為變數(shù)值出現(xiàn)的頻數(shù)

疲勞強(qiáng)度下極限為：

3.2.2 成組法疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7為應(yīng)力級在170 MPa、175 MPa、180 MPa、185 MPa、190 MPa下的-log曲線，從擬合數(shù)據(jù)的有效性來看滿足要求。

表6 成組法疲勞數(shù)據(jù)

將同一應(yīng)力級的數(shù)據(jù)點(diǎn)按大小編號為1≤2≤3≤4≤5。對于第個(gè)數(shù)據(jù)其失效概率P可以估計(jì)為：

將數(shù)據(jù)擬合成圖7所示直線，其皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.97、0.97、0.96、0.96，呈明顯的正相關(guān)性，說明所有的應(yīng)力級數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

式中：(10)、(90)分別是置信度為10和90下的疲勞極限。

結(jié)合圖7和式（5）～式（7）可得表8。

表7 成組法數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

圖7 各應(yīng)力級P-logN曲線

表8 各應(yīng)力級下相關(guān)數(shù)據(jù)

3.2.3-曲線

由此可以得到如圖8所示的6082-T6鋁合金板材在置信度（1－）和存活率分別為50%-50%、90%-90%、95%-95%的-曲線。

圖8 疲勞S-N曲線

為了進(jìn)一步研究6082-T6鋁合金疲勞斷裂特征及影響6082-T6鋁合金疲勞性能，采用掃描電鏡對試樣的疲勞斷口進(jìn)行觀察和分析。圖9為6082-T6鋁合金試樣疲勞性能試驗(yàn)后實(shí)際斷裂圖，其加載應(yīng)力級為165 MPa，疲勞循環(huán)壽命為2290000 次。疲勞斷口形貌由疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)組成，疲勞源區(qū)可以明顯看到存在氣孔缺陷?？梢院苊黠@發(fā)現(xiàn)為韌窩斷口，則瞬斷區(qū)域主要為韌性斷裂。

圖9 6082-T6鋁合金疲勞斷口

4 結(jié)論

（1）置信度50%、存活率50%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是161.67 MPa；置信度90%、存活率90%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是151.55 MPa；置信度95%、存活率95%時(shí)，6082-T6鋁合金的疲勞強(qiáng)度是146.63 MPa。

（2）將升降法測得的條件疲勞極限數(shù)據(jù)點(diǎn)和成組試驗(yàn)法測得的有限疲勞壽命數(shù)據(jù)點(diǎn)合并在一起，得到6082-T6鋁合金板材的-曲線。

（3）研究了6082-T6鋁合金不同置信度、存活率、應(yīng)力級下的疲勞壽命，并制作-曲線，為此種材料在解釋試驗(yàn)、可靠性設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用領(lǐng)域提供了數(shù)據(jù)支持。

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Fatigue Performance Investigation of 6082-T6 Aluminum Alloy

LI Ke

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd.,Qingdao 266000, China )

6082-T6 aluminum alloy；fatigue property；fatigue strength

U260.6+7

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.011

1006－0316 (2020) 12－0074－07

2019－03－11

李可（1991－），山東平度人，碩士研究生，助理工程師，主要從事軌道交通焊接技術(shù)研發(fā)及材料焊接性測試工作，E-mail：1074899603@qq.com。