A6N01S-T5鋁合金接頭疲勞性能

周成候，夏 寧，吳金津，李東風(fēng)，曹興華，張明月，陳 輝

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

A6N01S-T5鋁合金接頭疲勞性能

周成候1，夏 寧1，吳金津1，李東風(fēng)1，曹興華1，張明月2，陳 輝2

（1.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

A6N01S-T5鋁合金在現(xiàn)代化高速列車中應(yīng)用廣泛，制造鋁合金高速列車車體時(shí)，焊接式最主要的連接方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金結(jié)構(gòu)件中90%的斷裂是由承受重復(fù)性動(dòng)載的焊接接頭的疲勞破壞引起的，研究了A6N01S-T5鋁合金焊接接頭疲勞性能，結(jié)果顯示，同種焊接接頭帶余高試件比平滑接頭的疲勞強(qiáng)度低，機(jī)加工的方式和精度很大程度上影響試件的疲勞性能。

A6N01S-T5鋁合金；疲勞性能；S-N曲線；焊接接頭

0 前言

鋁合金比強(qiáng)度和比剛度高，易于成形，其焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)，成為各類交通工具輕量化、現(xiàn)代化的有效途徑[1]。6N01鋁合金以其優(yōu)越的使用性能廣泛應(yīng)用于高速列車車體中，而焊接是高速列車車體連接的最主要方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)疲勞破壞是鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接接頭失效的主要方式，而構(gòu)件的疲勞失效往往是突發(fā)的、災(zāi)難性的，是引發(fā)安全事故的重要原因[2-5]。因此研究車體鋁合金焊接接頭的疲勞性能，在研究的基礎(chǔ)上提出建議改善接頭疲勞性能可以顯著提高其使用壽命和安全可靠性，對(duì)高速鐵路事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

A6N01S-T5鋁合金母材材料成分如表1所示。

表1 A6N01合金化學(xué)成分%

采用QSN750火花直讀光譜儀檢測(cè)母材材料成分；使用MTS-8100疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞性能測(cè)試；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌，采用Genesis 2000 XMS能譜分析儀（EDS）進(jìn)行能譜分析。

試件尺寸及宏觀形貌如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 3.5mm A6N01S-T5平滑接頭疲勞性能

A6N01S-T5平滑接頭抗拉強(qiáng)度為172 MPa，選擇抗拉強(qiáng)度的80%（140 MPa）作為其疲勞測(cè)試的起始應(yīng)力，此后根據(jù)試驗(yàn)的具體情況（如斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)等）依次將應(yīng)力遞減5%～10%直至找到疲勞極限。采用成組測(cè)試法和最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到板厚為3.5 mm的A6N01S-T5鋁合金接頭平滑試件的S-N曲線，如圖2所示，可見(jiàn)對(duì)于該試件，8個(gè)應(yīng)力級(jí)分布還是非常密集的，雖然有些應(yīng)力級(jí)別下數(shù)據(jù)點(diǎn)有些分散，但這是與接頭的表面狀態(tài)及材料本身的薄厚不均有很大關(guān)系的，數(shù)據(jù)基本符合S-N曲線規(guī)律。

圖1 試件宏觀形貌

疲勞斷裂件的宏觀形貌如圖3所示，由圖3可知，裂紋均出現(xiàn)在薄厚板的交接處，此處應(yīng)力集中程度最大。圖4為試件疲勞斷口的SEM形貌。從整個(gè)斷口來(lái)看，斷裂區(qū)域并無(wú)明顯缺陷。由圖4a可知，斷裂起始于薄厚板交界處，放大Ⅱ區(qū)域和Ⅰ區(qū)域，分別得到圖4b、圖4c，圖4a中疲勞灰紋圓心方向?yàn)橛勺笙轮劣疑希鴪D4c中疲勞灰紋圓心方向?yàn)橛捎疑现磷笙拢虼擞善诨壹y的指向可知，疲勞源處于圖4d的實(shí)線區(qū)域。故對(duì)于A6N01S-T5鋁合金接頭，不等厚試件的連接引起的截面變化會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，降低其接頭的疲勞性能。

圖2 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭平滑試件S-N曲線

圖3 宏觀裂紋位置

2.2 3.5 mm A6N01S-T5帶余高接頭疲勞性能

A6N01S-T5帶余高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為190 MPa，考慮到帶余高的試件應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，故選擇了略低于抗拉強(qiáng)度50%（90 MPa）作為其疲勞測(cè)試時(shí)應(yīng)力的起始應(yīng)力，此后根據(jù)試驗(yàn)具體情況（如斷裂循環(huán)次數(shù)等），依次將應(yīng)力遞減直至找到疲勞極限。該試件采用的永久墊板，帶余高試件加工時(shí)為了保留永久墊板的形狀，前兩批試件采用銑削加工方式，加工的試件表面比較粗糙，如圖5a所示，在銑痕處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，故得到的疲勞極限較低，為50～60 MPa。第3批試件采用磨削加工，將材料上原有的永久墊板磨削去除，使焊縫背面平滑，留有正面余高，如圖5b所示，這種加工方式減小了應(yīng)力集中，同時(shí)使得試件中的焊接殘余應(yīng)力有所釋放，因此得到的試件疲勞極限較高，達(dá)到90 MPa。采用成組法和最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到試件的S-N曲線，如圖6所示。

圖5 兩種加工方式的疲勞試驗(yàn)背部

圖6 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭帶余高試件S-N曲線

A6N01S-T5鋁合金帶余高接頭的斷口形貌如圖7所示，首先根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所有的該型材的焊接接頭均斷裂在焊根和焊趾，為帶余高試件中應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域，而疲勞極限非常低，僅50 MPa，所以將重點(diǎn)考察斷口中應(yīng)力集中的影響。圖7a顯示疲勞源位于試件中部表面的一個(gè)半圓形的光滑區(qū)域。由于這里是疲勞的最初萌生部位，因此應(yīng)力多次循環(huán)作用的結(jié)果使得此部位光滑而且有一些微裂紋形成的臺(tái)階，如圖7b所示。對(duì)其中一條疲勞臺(tái)階進(jìn)行放大得到圖7c，由圖7c可知，疲勞臺(tái)階上有許多疲勞輝紋沿疲勞臺(tái)階的山嶺方向擴(kuò)展，在擴(kuò)展過(guò)程中甚至產(chǎn)生了二次裂紋。并且在圖7a疲勞源的區(qū)域中進(jìn)行放大，可以看到有輪胎狀壓痕，如圖7d所示，說(shuō)明在此部位另一個(gè)斷口表面上有硬質(zhì)點(diǎn)或者凸起，聯(lián)系6N01鋁合金的成分及組織，很有可能是基體中分布的強(qiáng)化相Mg2Si相在疲勞循環(huán)的閉合過(guò)程中造成的。而斷口中部表面的疲勞源主要是應(yīng)力集中造成的，一方面在接頭上焊跟處是母材和余高的交界處，截面發(fā)生改變，容易發(fā)生應(yīng)力集中。加之銑削的方法留下的銑痕等都是應(yīng)力集中的區(qū)域，同時(shí)3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭是不等厚的型材焊接而成，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此其疲勞性能比較差。

圖7 3.5 mm A6N01S-T5鋁合金接頭帶余高試件斷口

3 結(jié)論

（1）得到了3.5 mm厚A6N01S-T5鋁合金焊接接頭接頭的S-N曲線。（2）其平滑試件的疲勞極限可以達(dá)到95 MPa，余高試件的疲勞極限僅可達(dá)到50 MPa。（3）試件均斷裂在薄板側(cè)，截面突變引起的應(yīng)力集中是該試件疲勞性能下降的原因。建議盡量選用母材等厚的焊接接頭，機(jī)加工過(guò)程中，要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制加工精度，以免影響接頭使用性能。

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Research on fatigue property of A6N01S-T5 aluminum alloys

ZHOU Chenghou1，XIA Ning1，WU Jinjin1，LI Dongfeng1，CAO Xinghua1，ZHANG Mingyue2，CHEN Hui2
（1.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong Univercity，Chengdu 610031，China）

A6N01 aluminum alloys have a wide application in the field of high speed train，and the main joining method to join the aluminum alloys is welding.It is noted that 90%fracture of the weld joints enduring dynamic load is the fatigue fracture.Fatigue property of the A6N01 aluminum alloy joints is investigated in this paper.According to the results,the same welding joint with high specimen has lower fatigue strength than the smooth，machining way and precision will greatly affect the fatigue performance of the specimens.

A6N01 aluminum alloys；fatigue property；S-N cruve；weld joint

TG457

：A

1001-2303（2015）09-0171-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.39

2014-11-23；

2015-09-12

周成侯（1983—），男，浙江諸譖人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。