鋁/鋁-鎂合金層合板疲勞性能研究*

張麗君，

（北京交通大學(xué) 軌道車輛結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)用檢測技術(shù)教育部工程研究中心，北京100044）

鋁/鋁-鎂合金層合板疲勞性能研究*

（北京交通大學(xué) 軌道車輛結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)用檢測技術(shù)教育部工程研究中心，北京100044）

為同時(shí)滿足承載和防腐蝕兩個(gè)要求，鐵路濃硝酸罐車罐體選用鋁/鋁鎂合金層合板復(fù)合材料，純鋁為其內(nèi)膽材料，鋁鎂合金為承載材料。現(xiàn)對上述層合板材料試樣進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)以及彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)隨著外載的增加，由于層合板兩種材料變形不協(xié)調(diào)，界面產(chǎn)生應(yīng)力集中從而造成界面開裂，裂紋向純鋁層擴(kuò)展，純鋁層斷裂，最終導(dǎo)致層合板斷裂。據(jù)此，建立了層合板材料的名義應(yīng)力—壽命曲線和局部應(yīng)變—壽命曲線，為濃硝酸罐車罐體的疲勞設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

鋁/鋁鎂合金層合板復(fù)合材料；疲勞試驗(yàn)；應(yīng)力—壽命曲線；彈塑性

載重70 t的鐵路濃硝酸罐車主要用于裝運(yùn)濃度為92.5%及以上的濃硝酸，為了滿足承載和防腐蝕兩個(gè)要求，罐體材料選用1060純鋁/5052鋁鎂合金層合板［1］。在冷的濃硝酸中，強(qiáng)度較低的純鋁層表面會生成一層致密的氧化膜，阻止內(nèi)部材料與濃硝酸接觸，對鋁鎂合金層起到保護(hù)作用。鋁鎂合金層強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純鋁層，主要用于承載，保證罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由此，層合板的純鋁層或鋁鎂合金層的破壞，均會導(dǎo)致罐體失效。研究表明［2-4］，不同強(qiáng)度材料結(jié)合的界面，尤其是結(jié)合較弱時(shí)，在疲勞過程中，界面處將發(fā)生不同程度的分層，從而對整體構(gòu)件的疲勞性能產(chǎn)生重要影響，因此有必要進(jìn)行深入研究。

本文對上述層合板材料試樣進(jìn)行室內(nèi)疲勞性能試驗(yàn)以及ANSYS彈塑性分析。通過疲勞試驗(yàn)，建立了該層合板材料在不同應(yīng)力循環(huán)模式下的名義應(yīng)力—壽命曲線［5］，結(jié)合試樣破壞形式分析其破壞機(jī)理，之后在有限元軟件ANSYS中，對試樣進(jìn)行彈塑性分析，從而建立層合板復(fù)合材料的局部應(yīng)變—壽命曲線，為濃硝酸罐車罐體疲勞設(shè)計(jì)提供依據(jù)［6］。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備為MTS810疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，目的是建立1060純鋁/5052鋁鎂合金層合板復(fù)合材料的名義應(yīng)力—壽命曲線并分析其疲勞破壞機(jī)理。

疲勞試樣基層為厚度19 mm的鋁鎂合金，復(fù)層為厚度3 mm的純鋁，試樣尺寸如圖2所示。加載波形為7 Hz正弦波，室內(nèi)溫度20～30℃，干燥、無腐蝕性氣體。要求試驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的同軸度，使試樣受力對稱，要求靜態(tài)平均值和動態(tài)幅值的最大允許誤差不超過±1%和±3%。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

以應(yīng)力幅值分別為80，60，50，40 MPa和30 MPa依次由高到低進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到拉壓對稱循環(huán)（R＝－1）、零—拉脈動循環(huán)（R＝0）和零—壓脈動循環(huán)（R＝－∞）下的應(yīng)力—壽命數(shù)據(jù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的名義應(yīng)力—壽命曲線如圖3。可看出，應(yīng)力幅相同時(shí)，試樣疲勞壽命：拉壓循環(huán)＞零—壓循環(huán)＞零—拉循環(huán)，零—壓循環(huán)與零—拉循環(huán)非常接近。而一般金屬材料試樣疲勞壽命滿足規(guī)律：零—壓循環(huán)＞拉壓循環(huán)＞零—拉循環(huán)［7］。產(chǎn)生差別是因?yàn)閷雍习宀牧系钠茐氖墙缑鎯煞N材料的相對滑移導(dǎo)致的，因此幅值一樣的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對其產(chǎn)生基本一樣的破壞作用，從而圖3中曲線②與曲線③非常接近，都低于曲線①。

1.3 疲勞破壞機(jī)理分析

各種疲勞試驗(yàn)載荷下，純鋁/鋁鎂合金復(fù)合板疲勞裂紋均起源于粘合界面上，裂紋形成后首先沿橫截面朝純鋁方向擴(kuò)展，純鋁被破壞后再沿橫截面朝向鋁鎂合金方向擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣最終斷裂，如圖4、圖5所示。分析其破壞機(jī)理，首先，界面存在粘合缺陷，易成為疲勞源區(qū)；其次，純鋁和鋁鎂合金強(qiáng)度不同，純鋁的屈服強(qiáng)度很低，為25 MPa，而鋁鎂合金的屈服強(qiáng)度相對較高，為195 MPa［8］，在疲勞試驗(yàn)載荷下，純鋁易發(fā)生反復(fù)的塑性變形，而鋁鎂合金的應(yīng)力仍然處于彈性范圍內(nèi)，因此在界面處由于鋁鎂合金的變形約束導(dǎo)致純鋁一側(cè)的滑移困難并形成應(yīng)力集中進(jìn)而成為疲勞薄弱區(qū)。所有試驗(yàn)觀測中均發(fā)現(xiàn)裂紋起源于界面，純鋁層出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，使得界面分界處隨加載次數(shù)的增加逐漸明顯，同時(shí)在低應(yīng)力±40 MPa交變循環(huán)下出現(xiàn)過界面剝離現(xiàn)象，在0～－80 MPa零—壓應(yīng)力循環(huán)下出現(xiàn)過界面剝離和鋁層的失穩(wěn)現(xiàn)象，說明界面是薄弱環(huán)節(jié)并存在缺陷。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

采用實(shí)體單元Solid45模擬疲勞載荷下試樣的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。建立半個(gè)試樣的有限元模型，單元個(gè)數(shù)為134 914，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為103 493，界面處及試樣圓弧區(qū)為關(guān)鍵部位，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化（如圖6）。在模型右端面施加約束，左端面施加2 mm的位移載荷，加載方式為逐步加載，設(shè)定載荷子步為50步。得到每一個(gè)載荷子步下的約束反力，計(jì)算出對應(yīng)的名義應(yīng)力，與疲勞試驗(yàn)的加載相對應(yīng)，讀出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

查得1060純鋁的彈性模量為69 GPa，泊松比為0.31，屈服強(qiáng)度為25 MPa，抗拉強(qiáng)度為69 MPa，伸長率為43%；5052鋁鎂合金的彈性模量為69.3 GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為195 MPa，抗拉強(qiáng)度為230 MPa，伸長率為12%，根據(jù)工程應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)力，工程應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，描繪出兩種材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，兩種材料的本構(gòu)關(guān)系均采用雙線性隨動強(qiáng)化模型BKIN模擬［9-10］，如圖7所示。

2.2 仿真結(jié)果

當(dāng)外載為4 t（即名義應(yīng)力46.63 MPa）時(shí)，試樣的等效應(yīng)力分布如圖8所示，試樣圓弧區(qū)的外側(cè)面存在應(yīng)力集中，界面鋁鎂合金附近應(yīng)力最高，為73.64 MPa（低于其屈服強(qiáng)度），純鋁層已進(jìn)入屈服狀態(tài)，應(yīng)力在25 MPa左右，圖中可見界面處應(yīng)力的不均勻過渡。

以材料厚度方向?yàn)閄軸，如圖8，鋁鎂合金表層為X軸0點(diǎn)，每一層單元最大應(yīng)力值為Y軸建立坐標(biāo)系，得到沿材料厚度方向應(yīng)力的變化曲線，如圖9所示，最大應(yīng)力在試樣圓弧區(qū)外側(cè)的材料界面處，并且應(yīng)力存在階躍現(xiàn)象，兩層材料的應(yīng)力差值接近50 MPa，界面存在較大的應(yīng)力集中。

同樣建立沿材料厚度方向彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變的變化曲線，如圖10所示，最大總應(yīng)變（彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變之和）發(fā)生在試樣圓弧區(qū)外側(cè)的材料界面處，但塑性應(yīng)變僅在純鋁一側(cè)產(chǎn)生。

由上可知，界面的應(yīng)力集中及其附近純鋁產(chǎn)生的反復(fù)塑性應(yīng)變，使界面成為試樣的最薄弱區(qū)域，產(chǎn)生疲勞裂紋造成試樣斷裂，這與疲勞試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3 局部應(yīng)變—壽命曲線

當(dāng)層合板名義應(yīng)力依次為80，60，50，40，30 MPa時(shí)，純鋁層均產(chǎn)生塑性變形，而鋁鎂合金層一直處于彈性階段，界面的局部應(yīng)變最大，其值依次為1.832 179× 10－3，1.364 358×10－3，1.130 447×10－3，0.896 537× 10－3和0.662 482×10－3，由此繪制出層合板的局部應(yīng)變—壽命曲線，如圖11所示。

3 結(jié) 論

（1）通過疲勞試驗(yàn)，建立了鋁/鋁鎂合金層合板復(fù)合材料在不同應(yīng)力比下的名義應(yīng)力—壽命曲線，對于層合板試樣，當(dāng)應(yīng)力幅相同時(shí)，平均應(yīng)力的絕對值越大，疲勞壽命越短。

（2）試樣疲勞裂紋形成后首先沿橫截面朝純鋁方向擴(kuò)展，純鋁被破壞后再沿橫截面朝向鋁鎂合金方向擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣最終斷裂，原因如下：界面存在粘合缺陷，易成為疲勞源區(qū)；兩種材料的強(qiáng)度差別很大，純鋁發(fā)生反復(fù)的塑性變形，界面處鋁鎂合金的變形約束導(dǎo)致純鋁一側(cè)的滑移困難并形成應(yīng)力集中。

（3）通過加載位移載荷模擬試樣的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。結(jié)果表明，界面處存在應(yīng)力集中，界面附近純鋁產(chǎn)生塑性應(yīng)變，而鋁鎂合金層一直處于彈性階段。

（4）讀出與疲勞試驗(yàn)對應(yīng)的名義應(yīng)力下的界面應(yīng)變，據(jù)此繪制出層合板局部應(yīng)變—壽命曲線，作為濃硝酸罐車車體疲勞設(shè)計(jì)的依據(jù)。

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Fatigue Performance Study on Aluminum/Aluminum-Magnesium Alloy Laminated Plate

（Engineering Research Center of Structure Reliability and Operation Measurement Technology of Rail Guided Vehicles，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The tank body material of rail tanks for concentrated nitric acid is aluminum/aluminum-magnesium alloy laminated plate to satisfy both requirements of anti-corrosion and force bearing.Aluminum is the inner material and aluminum-magnesium alloy is the load bearing material.In this paper，fatigue test and elastic-plastic analysis for above laminated plate specimens were taken to further study the material mechanical properties.We found that as the load increases，the deformation of the two kinds of materials is inharmonious，which leads to stress concentration and interfacial crack.Then the crack expands to the aluminum layer and makes the fracture of the laminated plate eventually.The nominal stress-life curve and local strain-life curve of the laminated plate material are established which will provide important reference for the tank fatigue design of rail tanks for concentrated nitric acid.

Al/Al-Mg alloy laminated plate；fatigue test；stress-life curve；elastic-plastic research

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.08

1008－7842（2014）05－0035－04

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2011JBM287）

9—）女，碩士研究生（

2014－01－08）