軌道車(chē)輛用5083鋁合金板材的疲勞性能研究

鋁合金比強(qiáng)度和比剛度高，易于成形，廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，成為地鐵、列車(chē)、輕軌、高速列車(chē)等實(shí)現(xiàn)輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑。5083鋁合金具有較高的強(qiáng)度，較高的塑性、抗腐蝕性及易加工性，被廣泛應(yīng)用于高速列車(chē)的外板、車(chē)頂板、波紋板、車(chē)體、補(bǔ)強(qiáng)板、側(cè)墻板和端墻板、車(chē)體構(gòu)件、底架構(gòu)件、骨架等結(jié)構(gòu)

。高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，結(jié)構(gòu)將要承受由于振動(dòng)引起的循環(huán)載荷作用且破壞形式主要是疲勞斷裂。因此，研究高速列車(chē)用5083鋁合金的疲勞性能，具有重要意義。

研究材料的疲勞性能，最常用的就是研究其疲勞-壽命曲線(xiàn)，即材料的S-N曲線(xiàn)，它是疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)材料的S-N曲線(xiàn)，可以知道材料在不同應(yīng)力作用時(shí)的疲勞壽命，也可以知道在某一疲勞壽命下材料所能承受的最大應(yīng)力。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]分別研究了焊縫余高和拋丸處理對(duì)5083鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響，文獻(xiàn)[3]研究了厚度對(duì)5083鋁合金薄板超高周彎曲疲勞性能的影響，以上文獻(xiàn)中雖然提到了有關(guān)5083鋁合金及其焊接接頭的S-N曲線(xiàn)，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯不足，也未提到5083鋁合金沿軋制及垂直軋制方向上疲勞性能的差異。

本文采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，以板狀試樣形式，通過(guò)成組試驗(yàn)方法，研究軌道車(chē)輛用5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的S-N數(shù)據(jù)分布規(guī)律，進(jìn)而擬合成S-N曲線(xiàn)，以期為5083鋁合金在軌道車(chē)輛上不同部位的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為板狀5083鋁合金，板厚為4mm，處理工藝為冷軋，材料狀態(tài)為O態(tài)。分別沿軋制方向（L向）和垂直軋制方向（T向）取樣，試樣圖見(jiàn)圖5。

試驗(yàn)依據(jù)GB/T3075-2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，在GPS 200型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)頻率為（100～110）Hz，應(yīng)力比為-1，波形為正弦波，在室溫大氣環(huán)境中進(jìn)行。S-N曲線(xiàn)采用成組法進(jìn)行，即分3～5個(gè)應(yīng)力級(jí)別，每個(gè)應(yīng)力水平下完成3～5件試樣。指定壽命為107次。對(duì)獲得的S-N數(shù)據(jù)，采用Basquin公式進(jìn)行擬合，同一應(yīng)力水平下的疲勞壽命采用對(duì)數(shù)均值法處理。考慮到文獻(xiàn)[5]中提到的有關(guān)采用Basquin公式擬合時(shí)由于處理方法不一可能引入的誤差，采用先以疲勞壽命為函數(shù)，以最大應(yīng)力為自變量進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，再轉(zhuǎn)換其自變量和函數(shù)的處理方法，得到試驗(yàn)材料的S-N曲線(xiàn)方程，具體處理過(guò)程參考文獻(xiàn)[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在中短壽命區(qū)（疲勞壽命小于等于5×10

時(shí)），沿軋制方向具有較高的疲勞抗力；在較長(zhǎng)壽命區(qū)（疲勞壽命大于等于5×10

時(shí)），垂直軋制方向具有較高的疲勞抗力。根據(jù)這個(gè)研究結(jié)果，可以用于指導(dǎo)5083鋁合金在軌道車(chē)輛車(chē)廂不同部位的應(yīng)用。

5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的基于Basquin公式的S-N方程為：

從本文中5083鋁合金兩個(gè)方向上的S-N曲線(xiàn)可見(jiàn)，二者存在交叉現(xiàn)象。表明5083鋁合金沿軋制方向和垂直軋制方向具有不同的疲勞性能，兩個(gè)方向上材料抗疲勞能力是不一樣的。

如果學(xué)校規(guī)模不大，班級(jí)人數(shù)較少，還可以采用“馬蹄形（U型座）”“圓桌會(huì)議式”等排座方式。這些新型的排座方式都能最大限度地尊重個(gè)體需求，發(fā)揮互補(bǔ)合作的作用，促進(jìn)新的學(xué)習(xí)模式的建立，也適合當(dāng)前的教育主題——提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。我們?cè)诰幣抛粫r(shí)還應(yīng)該堅(jiān)持以下幾點(diǎn)：

材料的S-N曲線(xiàn)是名義應(yīng)力設(shè)計(jì)法（也稱(chēng)為常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)法）的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。

在旱災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，引進(jìn)了區(qū)域蒸散量遙感監(jiān)測(cè)估算、干旱遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、數(shù)字化區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等旱情監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備；利用3S技術(shù)，開(kāi)發(fā)了遙感數(shù)據(jù)處理與反演分析軟件；成果在2006年重慶、2007年河南及2008年海河流域的干旱監(jiān)測(cè)中進(jìn)行成功應(yīng)用；提高了我國(guó)旱情的遙感監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)能力，為減輕我國(guó)大范圍旱災(zāi)損失提供了技術(shù)支撐。

從圖8中可見(jiàn)，隨著疲勞壽命的延長(zhǎng)，5083鋁合金兩個(gè)方向上所能承受的最大應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)，但沿L方向上最大應(yīng)力下降的速率較快。在有效疲勞壽命區(qū)內(nèi)，兩條曲線(xiàn)存在交叉現(xiàn)象，曲線(xiàn)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命約為5×10

次，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力約為133.5MPa。當(dāng)外加最大應(yīng)力大于133.5MPa時(shí)，沿L方向的疲勞壽命較長(zhǎng)；當(dāng)外加應(yīng)力等于133.5MPa時(shí)，沿L方向和沿T方向具有相當(dāng)?shù)钠趬勖?；?dāng)外加應(yīng)力大于133.5MPa時(shí)，沿T方向的疲勞壽命較長(zhǎng)。

3 討論

現(xiàn)在有很多所謂的中小學(xué)生必讀書(shū)目。我覺(jué)得這其實(shí)不太靠譜，因?yàn)槊總€(gè)孩子的閱讀興趣不一樣，必讀書(shū)單里往往會(huì)出現(xiàn)一些“大部頭”，孩子讀起來(lái)可能味同嚼蠟，從而喪失閱讀興趣。我覺(jué)得從來(lái)就不應(yīng)該有什么“必讀書(shū)”，孩子們有自己選擇讀什么書(shū)的權(quán)利。有的孩子偏好童話(huà)，有的喜歡冒險(xiǎn)故事，有的愛(ài)看科幻小說(shuō)，有的喜歡漫畫(huà)……就好像吃飯，總是蘿卜青菜各有所愛(ài)的。

通常完整的S-N曲線(xiàn)包括其前半部分和后半部分。其前半部分通常用成組法完成，后半部分通常用升降法完成。根據(jù)使用壽命的長(zhǎng)短，S-N曲線(xiàn)的前半部分可用于有限壽命設(shè)計(jì)（又稱(chēng)安全壽命設(shè)計(jì)），后半部分可用于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)。一般提到的S-N曲線(xiàn)，如沒(méi)有著重說(shuō)明，一般指的是其前半部分。本文中，只研究5083鋁合金S-N曲線(xiàn)的前半部分。

從圖6和圖7可見(jiàn)，對(duì)于5083鋁合金而言，沿T方向和沿L方向，在同一應(yīng)力水平下，數(shù)據(jù)有一定的分散性。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性通常來(lái)自材料本身的組織不均勻性、取樣位置的差異，以及不同的加載方式等多種因素。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，原則上講，由于疲勞數(shù)據(jù)不可避免的分散性，同一應(yīng)力水平下，需要做一定數(shù)量的試樣，以盡可能能反映出各種因素對(duì)材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性的影響。

按照以上試驗(yàn)方法，獲得了5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的S-N數(shù)據(jù)。對(duì)于S-N試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Basquin公式進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖6和圖7。

為了比較5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向S-N曲線(xiàn)的差異，將圖6和圖7中的S-N曲線(xiàn)放在同一坐標(biāo)下進(jìn)行比較，見(jiàn)圖8。

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造比較復(fù)雜，褶皺構(gòu)造主要分布于古元古界金水口巖群的老變質(zhì)地層中，斷裂構(gòu)造以NW向韌性、脆性斷裂為主，對(duì)石墨礦的遷移富集有一定的改造作用。礦區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖出露。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于本文中研究的軌道車(chē)輛用5083鋁合金而言，兩個(gè)方向的S-N曲線(xiàn)在整個(gè)壽命區(qū)內(nèi)存在交叉現(xiàn)象，曲線(xiàn)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力約為133.5MPa，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命約為5×10

次；

（2）當(dāng)外加最大應(yīng)力大于133.5MPa時(shí)，沿L方向的疲勞壽命較長(zhǎng)；當(dāng)外加應(yīng)力等于133.5MPa時(shí)，沿L方向和沿T方向具有相當(dāng)?shù)钠趬勖?；?dāng)外加應(yīng)力小于133.5MPa時(shí)，沿T方向的疲勞壽命較長(zhǎng)。

（3）本文發(fā)現(xiàn)了5083鋁合金沿軋制及垂直軋制方向上疲勞性能的差異。更新了長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)?083鋁合金實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的認(rèn)知習(xí)慣（通常，人們?cè)?083鋁合金實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中認(rèn)為，沿軋制方向材料的疲勞性能更好。）。

政府可承受、農(nóng)民可接受、發(fā)展可持續(xù)，在這場(chǎng)土地改革中，我們積極探索，用優(yōu)化土地資源的成功實(shí)踐與創(chuàng)新，創(chuàng)造了“嘉興模式”。

可以更好的指導(dǎo)5083鋁合金在軌道車(chē)輛車(chē)廂不同部位的應(yīng)用。當(dāng)外加最大應(yīng)力大于133.5MPa時(shí)，應(yīng)使用L方向作為主承載方向；當(dāng)外加最大應(yīng)力小于133.5MPa時(shí)，應(yīng)使用T方向作為主承載方向；當(dāng)外加應(yīng)力等于133.5MPa時(shí)，沿L方向和沿T方向均可作為主承載方向。

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