軌道交通用鋁合金的疲勞擴展行為研究

張 然 勾 寧 黃 斌 饒 旭 廖福成

上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620

引言

近年來，世界性能源問題以及各國對環保的重視，使得列車制造業把減輕列車質量，降低成本作為提高未來列車發展的方向，其中采用鋁合金材料代替鋼材在列車上的應用是重要措施之一。鋁合金不僅有減重性好、耐蝕性好、運行性好、加工性好、產品質量高、壽命周期成本低等優點，而且維修費低、節能，滿足了再制造、再使用等可持續發展的要求。但是鋁合金也是有一定的使用壽命，那么，能了解鋁合金疲勞擴展的過程，將會對使用鋁合金過程中降低因疲勞裂紋而造成的經濟損失有重大意義。本文對于鋁合金試樣的疲勞壽命進行了分析，并運用光學顯微鏡及電子掃描研究了其金相組織，同時對斷口進行仔細觀察并分析，之后具體闡述了裂紋形成及發展的過程。得出A6N01鋁合金疲勞裂紋源萌生于合金內部的加工缺陷或粗大夾雜處, 疲勞裂紋擴展都伴隨著小平面斷裂的發生。

1 實驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用材料為A6N01鋁合金，供貨狀態為T5(即由高溫成形過程中冷卻，然后進行人工時效的狀態)，厚度5mm。成分如下表表1：

表1 A6N01鋁合金的化學成分%

材料特點：A6N01鋁合金為Al-Zn-Mg熱處理強化型高強鋁合金，通過加入適量Mn、Cr、Zr 等微量元素有效提高合金的再結晶溫度和可焊性，是綜合性能較為優異的鋁合金，其強度高、擠壓性較好、耐蝕性好，適于制造車體、底架、框架等型材。

1.2 實驗方法

1.2.1 將母材用120～1200的砂紙磨好拋光之后，放在受載100千牛頓的高頻疲勞試驗機上做疲勞循環實驗，記錄不同裂紋擴展階段的循環次數，直到斷裂。重復以上操作及得到疲勞壽命曲線S-N曲線。

1.2.2 在試樣斷裂后鋸斷離處2厘米得到電鏡掃描的試樣，清洗后吹干放在丙酮溶液中在SK3300H型超聲波震蕩儀中清洗10分鐘.使用S-3400N型掃描電鏡對鋁合金疲勞斷口進行顯微組織觀察。

1.2.3 在做上述實驗時，在不同的裂紋擴展階段進行低周疲勞表面裂紋早期萌生與擴展的觀察，為了反映疲勞裂紋早期萌生的細微過程，在疲勞裂紋形核和萌生的早期階段采用SEM表面直接觀察法研究表面裂紋的萌生過程。

2 試驗結果與分析

2.1 A6N01鋁合金的疲勞性能

試驗是在室溫干燥環境中進行的。打開疲勞試驗機電源，根據疲勞試樣更換夾具，并調節夾具到適當位置以安裝試樣，安裝試樣時應注意使其位于夾具的正中央，并盡量旋緊螺栓以保證試驗結果的準確性。在進行試樣的疲勞試驗前，用手動調節使加載應力清零,試驗定為脈動加載，加載方式為正弦波，合金試樣在99.5HZ頻率下進行疲勞試驗，應力比為R=0，進行到試樣斷裂為止停止計數。

2.2 A6N01鋁合金疲勞斷口的SEM分析

使用S-3400N型掃描電鏡對鋁合金疲勞斷口進行顯微組織觀察，并以此分析各試樣的疲勞性能。圖2為A6N01鋁合金在0.5σb作用下疲勞斷口的SEM形貌。

圖1 鋁合金疲勞斷口的SEM分析示意圖

圖1中a—裂紋起于式樣邊緣；b—疲勞源；c—起裂點。裂紋起源于試樣邊緣，鋁合金A6N01疲勞斷口有明顯的疲勞源，在鋁合金的內部存在雜質與氣孔。當鋁合金受到循環應力作為載荷時，在這些雜質和氣孔的周圍應力分布會不均勻，它將會作為形核的質點，在此處形成大的第二相構成了疲勞斷裂的一個主要疲勞源。

圖2 裂紋擴展區及疲勞條帶示意圖

圖3 鋁合金瞬斷區示意圖

圖2中a.b是不同放大倍數下的裂紋擴展區及疲勞條帶，A6N01鋁合金的質地分布較為均勻當裂紋形成后內部應力較為均勻，所以疲勞擴展速率比較均衡，且形成了疲勞條帶，有魚鱗狀的形貌。

圖3所示鋁合金a—靠近瞬斷區的擴展區；b—瞬斷區部出現解離；c—撕裂棱結構；d—韌窩。

在瞬斷區中存在斷裂的撕裂棱和韌性斷裂的韌窩，屬于塑韌性較好的韌性斷裂。由圖4a可以看出韌窩底部為中空的，韌窩的大小較為均勻，這表明合金具有較好的韌性，此處不容易成為斷裂區。合金靠近瞬斷區的擴展區，韌窩結構分明，表明擴展區為韌性開裂。圖3b中可以看到明顯的斷裂點，在瞬斷圖的右部，出現了部分解理特征。圖3c中可以看到明顯的一條凸出的斷帶，此為撕裂棱結構，表明裂紋擴展中，不是一個斷裂面，而是兩個斷裂面擴展到會合階段撕裂而成的。圖3d中有許多韌窩，這是瞬間斷裂留下的，韌窩較小，表明合金組織具有較好的塑韌性。

2.3 A6N01鋁合金疲勞裂紋擴展行為觀察與分析

圖4 疲勞裂紋擴展示意圖

常規的經典疲勞強度理論——名義應力法及局部應力應變分析法，目前仍然是工程應用最廣泛的一種抗疲勞設計方法。人們利用金相顯微鏡觀察金屬微觀結構，發現了破壞的過程可分為三個階段，第一個階段是疲勞裂紋的形成；第二個階段是疲勞裂紋的擴展；第三個階段是裂紋的瞬時斷裂，由于瞬時斷裂的時間很短，所以疲勞壽命主要由于疲勞裂紋形成壽命和疲勞裂紋擴展壽命組成，也就是說構件或構件的疲勞壽命一般分為裂紋形成和裂紋擴展壽命兩部分。

圖4疲勞裂紋擴展示意圖中a—起裂源；b—裂紋尖端；c—起裂區；d—擴展區。

在大晶粒的晶界處由所受的應力不均勻產生晶粒滑移和細小裂紋，很有可能慢慢發展為大的裂紋甚至裂縫。由圖4b可見，A6N01鋁合金疲勞裂紋尖端，裂尖前方組織開始出現疏松現象，裂尖的擴展比較曲折，伴隨有細小裂紋分支;由c可見，起裂區起源于邊緣，擴展方向在晶界上發生相對接近90°的變化;由d可見，在裂紋擴展的同時，也會伴有細小的裂紋分支，并且擴展方向也是接近90°的變化。裂紋的持續擴展,使剩余截面上的應力不斷增加,裂紋擴展速率也相應地增加，當剩余面積不足于支持所加載荷時,試樣即發生瞬間斷裂。瞬斷區的斷口形貌均呈韌窩狀,是典型的靜載撕裂特征,應力較低時,疲勞區面積相對較大,而應力高時,疲勞區面積則相應較小。

3 結語

(1)A6N01鋁合金當加載循環增加時，試樣的疲勞損傷隨之增長。

(2)A6N01鋁合金疲勞裂紋源萌生于合金內部的加工缺陷或粗大夾雜處, 疲勞裂紋擴展都伴隨著小平面斷裂的發生。

(3)氣孔成為主要的應力集中區域,氣孔對于鋁合金疲勞性能的影響取決于氣孔的宏觀尺度。當氣孔直徑足夠大且數量很多或在表面附近存在時，就會對疲勞性能有明顯的影響，并加速疲勞裂紋的擴展。

(4)斷口可分為三個區域：起裂源、裂紋擴展區以及瞬斷區。擴展區內存在疲勞輝紋，瞬斷區的韌窩表明母材具有較好的韌性，但由于強度較低,容易成為斷裂區。

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