不同粉塵顆粒對(duì)7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)理

唐雄輝，賀冠強(qiáng)，曾祥浩，吳書舟，王玉斌，唐振恒，陳宇強(qiáng)

(1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司軌道交通技術(shù)中心，株洲 412001；2.湖南科技大學(xué)高功效輕合金構(gòu)件成形技術(shù)及耐損傷性能評(píng)價(jià)湖南省工程研究中心，湘潭 411201)

0 引 言

7N01-T6鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高和成形性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域[1]。隨著高鐵運(yùn)行速度的不斷提高以及運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，鋁合金構(gòu)件面臨的服役環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)構(gòu)件的疲勞性能提出了越來越苛刻的要求[2]。因此，復(fù)雜環(huán)境下鋁合金構(gòu)件的疲勞損傷行為是目前學(xué)者研究的焦點(diǎn)。前期研究人員主要對(duì)溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素對(duì)鋁合金疲勞性能的影響展開了系統(tǒng)研究[3]。研究[4]表明：低溫環(huán)境會(huì)提高鋁合金的裂紋擴(kuò)展門檻值并降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，鋁合金的疲勞壽命隨著溫度的降低而明顯增加；高溫環(huán)境會(huì)提高鋁合金中位錯(cuò)的可動(dòng)性，從而顯著降低鋁合金的疲勞強(qiáng)度[5-6]。環(huán)境濕度越大，鋁合金的疲勞性能越差，這主要是因?yàn)樗畾庵械臍湓尤菀讛U(kuò)散到鋁合金裂紋尖端區(qū)域，誘導(dǎo)氫脆的發(fā)生[7]。鹽霧等腐蝕介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致鋁合金表面形成腐蝕坑，造成局部應(yīng)力集中問題，加快疲勞裂紋的擴(kuò)展[8-10]。

課題組的前期研究[11]發(fā)現(xiàn)，環(huán)境中的粉塵顆粒很容易通過吸附等方式聚集在鋁合金裂紋表面，并對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生影響。當(dāng)應(yīng)力比為0.1、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK為10 MPa·m1/2時(shí)，鋁合金在氧化鋁顆粒作用下的裂紋擴(kuò)展速率比空氣環(huán)境下降低了60%[12]，而在石墨顆粒作用下的裂紋擴(kuò)展速率則增加了近一倍[13]。眾所周知，列車在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)穿過富含揚(yáng)塵的城郊、富含煤塵的礦區(qū)等典型粉塵環(huán)境。這些粉塵顆粒的結(jié)構(gòu)不同，對(duì)鋁合金構(gòu)件的疲勞行為也可能造成顯著不同的影響。但是，目前有關(guān)不同粉塵顆粒對(duì)鋁合金疲勞擴(kuò)展行為影響的研究還鮮有報(bào)道。為此，作者選取了揚(yáng)塵和煤塵2種典型的粉塵顆粒，研究了這些粉塵顆粒對(duì)7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，以期為軌道交通鋁合金構(gòu)件的服役安全提供理論支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為厚度8.0 mm的7N01-T6鋁合金板，由西南鋁業(yè)公司提供，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為4.34Zn，1.94Mg，0.24Cr，0.2Cu，余Al，其室溫抗拉強(qiáng)度為387.0 MPa,屈服強(qiáng)度為340.5 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10.0%，彈性模量為72.3 GPa。試驗(yàn)用揚(yáng)塵和煤塵顆粒分別從城郊某工地和煤礦區(qū)附近采集，并將采集的粉塵放入干燥箱進(jìn)行干燥處理。

采用Master Sizer 2000型激光粒度分析儀對(duì)粉塵顆粒的粒徑進(jìn)行分析，激光電源功率為10 mW，測(cè)定波長(zhǎng)為633 nm，測(cè)試范圍為0.02～2 000 μm。利用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行物相分析，工作電壓為35 kV，工作電流為40 mA，掃描速率為8(°)·min-1，步長(zhǎng)為0.01°。按照GB/T 6398-2017在MTS-Landmark型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1(a)所示，采用COD規(guī)測(cè)量疲勞裂紋尖端開口位移，采用緊湊型C(T)拉伸試樣，試樣厚度為8.0 mm，具體形狀和尺寸如圖1(b)所示；加載波形為正弦波，頻率為10 Hz，應(yīng)力比為0.1和0.5；裂紋的長(zhǎng)度及應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍根據(jù)GB/T 6398-2017通過柔度法獲得。粉塵顆粒用聚氯乙烯膜包裹在C(T)試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)域中，使顆粒充分地進(jìn)入裂紋中，如圖1(c)所示。利用掃描電鏡準(zhǔn)原位觀察方法對(duì)不同粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行觀察，所用準(zhǔn)原位觀察試樣的厚度為2 mm，并在試樣一側(cè)預(yù)制了一條長(zhǎng)0.5 mm的缺口作為裂紋源，具體尺寸如圖2所示。在不同粉塵顆粒環(huán)境下進(jìn)行一定周次的疲勞試驗(yàn)后，利用SU3500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋擴(kuò)展形貌，直至試樣斷裂。

圖1 疲勞試驗(yàn)裝置、C(T)試樣的形狀和尺寸以及粉塵顆粒的分布示意

圖2 準(zhǔn)原位觀察試樣的尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉塵顆粒的微觀形貌和物相組成

由圖3可以看出，2種粉塵顆粒的粒徑均呈近似正態(tài)分布特征，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別為28，56 μm。研究[14-15]表明，空氣中顆粒物的大小常用空氣動(dòng)力學(xué)直徑來表示，其粒徑范圍為0.01～100 μm，這與實(shí)際粉塵粒徑測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖3 揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的粒徑分布曲線

由圖4可以看出，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒均呈塊狀，顆粒尺寸在5～50 μm之間，其中揚(yáng)塵顆粒的平均尺寸小于煤塵顆粒。

圖4 揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的SEM形貌

由圖5可以看出：2種粉塵顆粒的物相均十分復(fù)雜，其中揚(yáng)塵顆粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)和CaMg(CO3)2等物相，而煤塵顆粒中主要存在SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9(OH)3]、Al2(Si2O5)(OH)4和CaMg(CO3)2等物相。

圖5 揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的XRD譜

2.2 鋁合金的裂紋擴(kuò)展速率曲線

由圖6可以看出，應(yīng)力比0.1條件下鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線包括疲勞裂紋萌生階段(第I階段)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(第Ⅱ階段)、疲勞裂紋快速擴(kuò)展階段(第Ⅲ階段)。隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率單調(diào)遞增。在應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍小于18 MPa·m1/2的裂紋擴(kuò)展階段，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒能明顯降低鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約為10 MPa·m1/2時(shí)，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比空氣環(huán)境下分別降低了24.5%和45.1%。當(dāng)疲勞裂紋進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，即應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍大于23 MPa·m1/2時(shí)，鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率差異減小。

圖6 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

由圖7可以看出，與應(yīng)力比0.1條件下相比，應(yīng)力比0.5條件下鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率較大，這是因?yàn)樵谙嗤瑧?yīng)力強(qiáng)度因子范圍下，應(yīng)力比的增加會(huì)弱化裂紋閉合效應(yīng)[16]，從而增大有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(ΔKeff)，使裂紋更容易擴(kuò)展。在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍小于6 MPa·m1/2的裂紋擴(kuò)展階段，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率低于空氣環(huán)境下，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約為10 MPa·m1/2時(shí)，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相近，相比空氣環(huán)境下分別降低了10.1%和11.9%，明顯小于應(yīng)力比為0.1時(shí)的降低幅度。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍大于13 MPa·m1/2時(shí)，3種環(huán)境下的疲勞裂紋均進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率的離散性明顯增大且差異性變得不明顯。

圖7 應(yīng)力比0.5條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

2.3 鋁合金的疲勞斷口形貌

由圖8和表1可知：在應(yīng)力比為0.1、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約為10 MPa·m1/2條件下，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞斷口表面平坦，無明顯雜質(zhì)，斷口表面的疲勞輝紋間距為0.70 μm，并且在部分?jǐn)嗝鎱^(qū)域出現(xiàn)了大量的微坑和破裂的第二相粒子；揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口表面分別附著大量揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒，在這2種環(huán)境下的疲勞輝紋間距分別為0.63，0.42 μm，均小于空氣環(huán)境下。

表1 圖8中不同位置的EDS分析結(jié)果

圖8 應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約10 MPa·m1/2條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口SEM形貌

由圖9可以看出：在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約為10 MPa·m1/2條件下，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞斷口表面有許多微坑，疲勞輝紋間距為0.67 μm；揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下疲勞斷口表面分別分布了許多揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒，疲勞輝紋間距分別為0.55，0.51 μm。

圖9 應(yīng)力比0.5、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍約10 MPa·m1/2條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口SEM形貌

2.4 鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)原位形貌

由圖10可以看出：經(jīng)7 117周次加載后，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞裂紋近似鋸齒狀，部分鋸齒狀裂紋處的上下斷面出現(xiàn)了明顯的提前閉合現(xiàn)象，造成上下斷面出現(xiàn)了約0.89 μm的裂紋閉合間隙[17]，同時(shí)裂紋尖端存在規(guī)則的平行滑移帶和微裂紋；疲勞加載次數(shù)增加至7 874周次后，在原裂紋尖端(圖中圓圈)處主裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生了一定的平行滑移帶和少量微裂紋，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，裂紋閉合間隙增加至1.10 μm。當(dāng)加載7 954周次后，裂紋貫穿試樣，試樣斷裂。

圖10 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在空氣環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)原位SEM形貌

由圖11可以看出：鋁合金在煤塵顆粒環(huán)境下加載7 839周次時(shí)的裂紋閉合間隙為1.02 μm，且在裂紋尖端出現(xiàn)了許多不規(guī)則的滑移帶；加載8 693周次后，主裂紋上出現(xiàn)2處長(zhǎng)約25.3 μm和34.4 μm的裂紋分支，裂紋中存在大量煤塵顆粒，這些顆粒能有效增強(qiáng)閉合效應(yīng)，此時(shí)裂紋閉合間隙達(dá)到1.37 μm；加載9 210周次后，裂紋尖端附近的不規(guī)則滑移帶和微裂紋增多，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展路徑相比空氣環(huán)境更加曲折。

圖11 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在煤塵顆粒環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)原位SEM形貌

由圖12可以看出：鋁合金在揚(yáng)塵顆粒環(huán)境下加載8 482周次后的裂紋中存在明顯的揚(yáng)塵顆粒，增加了裂紋閉合效應(yīng)，此時(shí)裂紋閉合間隙達(dá)到1.15 μm；加載8 688周次后，在揚(yáng)塵顆粒環(huán)境下的裂紋尖端存在大量的滑移帶痕跡，此時(shí)裂紋閉合間隙為1.28 μm；加載9 510周次后，雖然疲勞裂紋擴(kuò)展已經(jīng)進(jìn)入后期快速擴(kuò)展階段，但此時(shí)揚(yáng)塵顆粒仍可明顯增加裂紋閉合程度，裂紋閉合間隙約為3.46 μm，并且裂紋尖端附近產(chǎn)生了大量滑移帶和微裂紋，使裂紋擴(kuò)展路徑變得更為曲折。

圖12 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在揚(yáng)塵顆粒環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)原位SEM形貌

在理想的情況下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率取決于裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍(ΔK=Kmax-Kmin，其中Kmax和Kmin分別為疲勞加載過程中裂紋尖端的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子和最小應(yīng)力強(qiáng)度因子[18])。在實(shí)際疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋總是在裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子大于Kmin時(shí)就發(fā)生提前閉合。大量研究[19]表明，由于接觸表面之間存在明顯的摩擦力，裂紋在裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到Kop(裂紋面接觸時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子)處會(huì)發(fā)生提前閉合。學(xué)者們普遍認(rèn)為疲勞裂紋在閉合后不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，因此裂紋的擴(kuò)展取決于ΔKeff(ΔKeff=Kop-Kmin)。在空氣環(huán)境中，裂紋上下斷面較大的粗糙度造成了裂紋的提前閉合，使得上下斷面間出現(xiàn)裂紋閉合間隙。當(dāng)裂紋的總長(zhǎng)度接近時(shí)，揚(yáng)塵顆粒、煤塵顆粒環(huán)境下的裂紋閉合間隙明顯大于空氣環(huán)境，說明在揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒作用下，裂紋更早閉合，即揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆?？捎行岣咂诹鸭y的閉合程度，從而抑制裂紋的擴(kuò)展。此外，在相同環(huán)境下，煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率略低于揚(yáng)塵顆粒環(huán)境，這可能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明顯大于揚(yáng)塵顆粒從而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。2種粉塵顆粒進(jìn)入裂紋中后，會(huì)影響裂紋尖端的應(yīng)力分布，使裂紋附近產(chǎn)生更多的不規(guī)則滑移帶和由不規(guī)則滑移帶引發(fā)的微裂紋/裂紋分叉[12]。隨著加載過程的進(jìn)行，微裂紋最終擴(kuò)展為裂紋分支，導(dǎo)致主裂紋偏轉(zhuǎn)，并極大地消耗擴(kuò)展能量，從而降低裂紋擴(kuò)展速率。

3 結(jié) 論

(1)揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別為28，56 μm，揚(yáng)塵顆粒的平均尺寸小于煤塵顆粒，揚(yáng)塵顆粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)和CaMg(CO3)2等物相，而煤塵顆粒中主要存在SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9(OH)3]、Al2(Si2O5)(OH)4和CaMg(CO3)2等物相。

(2)在應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍小于18 MPa·m1/2的裂紋擴(kuò)展階段，7N01-T6鋁合金在揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯低于在空氣環(huán)境下，且煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞擴(kuò)展速率最低，這可能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明顯大于揚(yáng)塵顆粒從而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。隨著應(yīng)力比增至0.5后，鋁合金在空氣、揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒3種環(huán)境下的疲勞擴(kuò)展速率明顯增大，且揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與空氣環(huán)境下的差異減小，這與裂紋閉合效應(yīng)隨應(yīng)力比增加而弱化有關(guān)。

(3)與空氣環(huán)境相比，揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金中的疲勞裂紋發(fā)生較多次偏轉(zhuǎn)，裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折；粉塵顆粒增加了疲勞加載過程中的裂紋閉合間隙，促進(jìn)裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，抑制裂紋的擴(kuò)展；粉塵顆粒影響裂紋尖端應(yīng)力分布，導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生大量的滑移帶以及微裂紋或裂紋分支，極大地消耗了擴(kuò)展能量，從而降低了裂紋擴(kuò)展速率。