環境濕度對鑄鋁合金超聲疲勞裂紋擴展速率的影響研究

李文凱　崔海濤　溫衛東　蘇旭明　 -

1.南京航空航天大學江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京，2100162.北美福特汽車研究與創新中心，迪爾伯恩，密歇根州，美國，48121

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環境濕度對鑄鋁合金超聲疲勞裂紋擴展速率的影響研究

李文凱1崔海濤1溫衛東1蘇旭明2CCEngler-PintoJr2

1.南京航空航天大學江蘇省航空動力系統重點實驗室，南京，2100162.北美福特汽車研究與創新中心，迪爾伯恩，密歇根州，美國，48121

針對鑄鋁合金A356-T6開展了不同環境濕度下的超聲疲勞裂紋擴展試驗和實驗室環境濕度下的常規疲勞裂紋擴展試驗。由試驗結果可知，超聲疲勞在干空氣環境中的疲勞裂紋擴展速率最低，而在蒸餾水環境中的疲勞裂紋擴展速率最高。常規疲勞在實驗室環境中的疲勞裂紋擴展速率和超聲疲勞在蒸餾水環境中的疲勞裂紋擴展速率幾乎一致。針對Wei建立的環境濕度對鋁合金材料疲勞裂紋擴展速率預測模型進行了修正，得到了鑄鋁合金A356-T6在任意環境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴展速率預測模型。

鑄鋁合金；超聲疲勞；裂紋擴展；環境濕度

0　引言

在現代工業中，汽車發動機的一些部件(汽缸體、氣缸蓋等)在其設計使用壽命中需要經受超過108次交變循環載荷的作用。傳統疲勞試驗受到加載設備頻率(20～200Hz)的限制，通常局限于107次交變循環載荷，而無法高效地獲得材料在108次交變循環載荷作用下的疲勞性能。正是在這種工業運用背景下，超聲疲勞試驗技術應運而生[1-3]。超聲疲勞試驗的加載頻率為20kHz，可以在極短的時間內完成材料在107以上循環載荷的疲勞試驗，因此超聲疲勞試驗技術可以加快材料的疲勞試驗的進程。雖然使用超聲疲勞試驗技術可以加速材料的疲勞試驗，但是對一些材料而言其超聲疲勞壽命往往高于常規疲勞壽命[4-5]。文獻[6-9]已經證明環境濕度可以增加鋁合金的疲勞裂紋擴展速率，而疲勞裂紋擴展速率的增大可以歸咎為材料的“氫脆”效應。因此，鋁合金材料的超聲疲勞壽命取決于試驗環境中的空氣濕度:當空氣濕度大，材料的疲勞壽命低；當空氣濕度小，材料的疲勞壽命高。由于超聲疲勞試驗的頻率遠高于常規疲勞試驗的頻率，在相同的應力循環周次下超聲疲勞裂紋尖端的張開時間遠遠小于常規疲勞裂紋尖端的張開時間，因此環境濕度對超聲疲勞裂紋擴展速率的影響遠大于環境濕度對常規疲勞裂紋擴展速率的影響。

Stanzl等[9]通過鋁合金2024-T3在真空、干空氣(環境濕度φRH≈3%)以及濕空氣環境中的超聲疲勞裂紋擴展試驗發現，真空環境中的裂紋擴展門檻值大于干空氣環境中的裂紋擴展門檻值，表明即使存在少量的水蒸氣也可以降低鋁合金的裂紋擴展門檻值。同時濕空氣環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率明顯高于干空氣以及真空環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率，說明環境中的水蒸氣可以加速鋁合金的超聲疲勞裂紋擴展速率。文獻[10-12]對鋁合金在不同濕度環境中進行的超聲疲勞裂紋擴展試驗得到了相同的結論，即環境濕度不僅能夠增大鋁合金的超聲裂紋擴展速率而且會降低其超聲疲勞裂紋擴展的門檻值。

本文為了研究環境濕度對鑄鋁合金疲勞行為的影響，開展了不同濕度環境(干空氣(φRH<1%)、濕空氣(φRH≈50%)、飽和濕空氣(φRH>99%)和蒸餾水)中的超聲疲勞裂紋擴展試驗和實驗室環境(φRH≈20%)中的常規疲勞裂紋擴展試驗，得到了鑄鋁合金A356-T6在不同試驗環境和試驗頻率下的疲勞裂紋擴展曲線。最后對Wei[13]建立的鋁合金材料在濕度環境中的疲勞裂紋擴展速率預測模型進行了修正，得到了鑄鋁合金A356-T6在任意環境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴展速率預測模型。

1　試驗材料和試驗方法

本文所用的材料為鑄鋁合金A356，合金的熱處理工藝為T6，合金由福特汽車公司提供(圖1a)，其微觀組織如圖1b所示，主要由α-Al基體和Al-Si共晶相組成，其中SDAS表示二次枝晶間距。化學成分如表1所示，室溫下的靜拉伸性能如表2所示。

(a)鑄鋁合金A356的原始鑄件

(b)鑄鋁合金A356-T6的微觀組織圖1　鑄鋁合金材料A356-T6

本試驗采用飛秒激光技術預制初始裂紋。通過在試驗件上利用電火花(EDM)加工方法切割出正反兩個對稱凹面并對其中的一個凹面進行精拋光(圖2)，然后利用飛秒激光技術在試驗件拋光面上預制初始裂紋。和傳統的激光預制裂紋技術相比，飛秒激光的作用時間短(作用時間小于熱傳播的時間)，因此裂紋尖端不會形成熱影響區，同時，被激光融化的材料會直接從固態轉變為等離子態脫離基體，不會污染試件表面造成裂紋觀測困難。光學顯微鏡(OM)下的飛秒激光預制裂紋如圖3a所示，圖3b為飛秒激光預制裂紋的SEM俯視圖。

表2　鑄鋁合金A356-T6在室溫下的靜拉伸性能

圖2　鑄鋁合金A356-T6超聲疲勞裂紋擴展試驗件

(a)光學顯微鏡下的飛秒激光預制裂紋

(b)飛秒激光預制裂紋的SEM俯視圖圖3　OM和SEM觀測到的飛秒激光預制裂紋

超聲疲勞裂紋擴展試驗在超聲疲勞試驗機上開展，超聲疲勞試驗機由UniversityofBOKU設計制造。試驗應力比R=-1，試驗控制方式為位移控制，試驗頻率為20kHz，試驗環境包括干空氣(φRH<1%)、濕空氣(φRH≈50%)、飽和濕空氣(φRH>99%)和蒸餾水。為了防止試驗件的溫度過高，試驗采用脈沖加載方式，每加載0.1s，暫停2s，從而保證試驗件在整個試驗過程中的溫度不超過25℃。常規疲勞裂紋擴展試驗在50kNMTS-810液壓伺服疲勞試驗機上展開。試驗過程由電腦控制，應力比R=-1，采用載荷控制方式，試驗頻率為30Hz，試驗室環境濕度為φRH≈20%。

超聲疲勞裂紋擴展試驗與常規疲勞裂紋擴展試驗均采用QuestarMQ-100可移動式長焦顯微鏡測量裂紋長度，其分辨率為2μm。裂紋長度的定義為裂紋兩裂尖之間的水平投影距離(與加載方向垂直)。首先通過Questar長焦顯微鏡記錄當前兩裂紋尖端的水平坐標位置得到裂紋長度ai，同時記錄當前循環數Ni，加載一定循環載荷之后，再次記錄兩裂紋尖端的水平坐標位置得到新的裂紋長度ai+1與循環載荷數Ni+1。裂紋的擴展速率為裂紋長度的增量除以相應的載荷循環數增量，即

(1)

2　試驗結果與分析

超聲疲勞在不同環境濕度(干空氣、φRH≈50%濕空氣、飽和濕空氣、蒸餾水)和常規疲勞在試驗室環境(φRH≈20%)中的疲勞裂紋擴展速率曲線如圖4所示，其中試驗的環境溫度、應力幅值分別取20 ℃、15 MPa。

圖4　鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞與常規疲勞裂紋擴展速率曲線(20℃，125MPa)

由圖4可知，環境濕度對鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴展速率有著顯著的影響：在干空氣環境中，鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴展速率最低，λ=6×10-12(ΔK)3.412；隨著環境濕度的增大其超聲疲勞裂紋擴展速率隨之顯著增加，在蒸餾水環境中鑄鋁合金A356-T6的超聲疲勞裂紋擴展速率達到最高，λ=5×10-10×(ΔK)1.8306；同時，鑄鋁合金A356-T6在濕度為20%的試驗室環境中的常規疲勞裂紋擴展速率(λ=5×10-10(ΔK)1.746)和超聲疲勞在蒸餾水環境中的裂紋擴展速率幾乎一致。

假定鑄鋁合金A356-T6在干空氣、φRH≈50%濕空氣、飽和濕空氣和蒸餾水環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率曲線以及在試驗室環境中的常規疲勞裂紋擴展速率曲線滿足Paris’定律規律法則，即可以利用公式λ=C(ΔK)m描述。對圖4中所有的試驗數據進行數值擬合即可得到不同試驗環境濕度和試驗頻率下C和m的值，如表3所示。

根據文獻[15-17]的研究結果，鑄鋁合金的裂紋擴展速率不僅取決于裂紋尖端的應力強度因子ΔK的大小，同時還受到環境濕度的影響。Wei等[13]提出鋁合金材料在濕度環境中的裂紋擴展速率λtot可以分為兩部分：一部分為循環載荷對疲勞裂紋擴展速率的貢獻λmech，另一部分為環境濕度對疲勞裂紋擴展速率的貢獻λenv，即

λtot=λmech+λenv

(2)

其中，當循環載荷幅值保持不變時λmech是常數；λenv和環境的相對濕度成正比關系，而與裂紋尖端的張開時間成反比關系。因此環境濕度對裂紋擴展速率的貢獻正比于參數p/f(p是濕度環境中的水蒸氣壓力，f是試驗頻率)。當環境濕度對裂紋擴展速率的影響達到最大之后，λenv達到最大值，即λtot等于飽和溫度環境下的λsat(即使再增大環境濕度，疲勞裂紋擴展速率也不會隨之增大)。綜上所述，疲勞裂紋在濕度環境中的擴展速率可以表示如下：

(3)

λtot=λsat

(4)

式中，下標s表示臨界值。

超聲疲勞裂紋擴展和常規疲勞裂紋擴展試驗在不同濕度環境中的p/f數值如表4所示。其中超聲疲勞在干空氣環境中的p/f數值最低，達到了1.3×10-4Pa/s；常規疲勞在實驗室環境中的p/f數值最高，達到了17.3Pa/s。取應力強度因子ΔK=4MPa?m1/2，由圖4可知鑄鋁合金A356-T6在不同環境濕度和試驗頻率下的疲勞裂紋擴展速率，如表4所示。

表4　超聲疲勞和常規疲勞在不同濕度環境下的p/f數值

圖5所示為鑄鋁合金A356-T6在不同環境濕度和試驗頻率下的參數p/f以及應力強度因子ΔK=4MPa·m1/2時的裂紋擴展速率關系擬合曲線。由圖5可知，鑄鋁合金A356-T6在不同環境濕度和試驗頻率下的參數p/f的飽和值為(p/f)s=2Pa/s。

圖5　不同環境濕度和試驗頻率下裂紋擴展速率與參數p/f擬合曲線(ΔK=4 MPa·m1/2)

對于本試驗而言，干空氣環境中空氣的相對濕度低于1%，因此可以認為鑄鋁合金A356-T6在干空氣環境中的疲勞裂紋擴展速率沒有受到環境濕度的影響而完全取決于載荷的幅值，因此λmech近似地等于超聲疲勞在干空氣環境中的裂紋擴展速率，即λmech=6×10-12×(ΔK)3.412。由圖5可知參數p/f的臨界值為2Pa/s，因此超聲疲勞在蒸餾水環境和常規疲勞在試驗室環境中環境濕度對疲勞裂紋擴展速率的貢獻均已達到最大，取二者的算數平均值為疲勞裂紋在濕度環境中的最大擴展速率，即λsat=[(5×10-10(ΔK)1.8306+5×10-10(ΔK)1.746)]/2。其中5×10-10(ΔK)1.8306為超聲疲勞在蒸餾水中的裂紋擴展速率，5×10-10(ΔK)1.746為常規疲勞在試驗室環境中的裂紋擴展速率。綜上所述，由式(3)可得在鑄鋁合金A356-T6在環境濕度為50%環境中的超聲疲勞裂紋預測擴展速率為λ50%=1×10-11(ΔK)3.057。

圖6所示為鑄鋁合金A356-T6在50%濕空氣環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率試驗曲線和根據Wei[13]的模型(式(3))的超聲疲勞裂紋擴展速率預測曲線。由圖6可知，預測疲勞裂紋擴展速率要比試驗疲勞裂紋擴展速率低，并且隨著應力強度因子的減小，兩者之間的差異隨之增大。綜上所述，Wei建立的鋁合金材料在濕度環境中疲勞裂紋擴展速率預測模型對鑄鋁合金A356-T6并不適用。

圖6　鑄鋁合金A356-T6在50 %濕度環境下的預測和試驗疲勞裂紋擴展速率曲線(20℃,125MPa,20kHz)

圖7a和圖7b分別是鑄鋁合金A356-T6在實驗室環境中的常規疲勞裂紋快速擴展(階段Ⅱ)區域和蒸餾水環境中的超聲疲勞裂紋快速擴展(階段Ⅱ)區域，由圖可以看到明顯的類似海浪狀的疲勞裂紋擴展特征。圖7c～圖7e分別是鑄鋁合金A356-T6在干空氣、50%濕空氣和飽和濕空氣環境中超聲疲勞裂紋快速擴展(階段Ⅱ)區域，而圖中并沒有出現類似海浪狀的疲勞裂紋擴展特征。

文獻[16-17]指出過時效(T7)熱處理的鑄鋁合金基體中GP區域抗剪切能力相比于峰值時效(T6)熱處理的鑄鋁合金有所提高，而且析出相的尺寸也有很大程度上的增加，因此在濕度環境中過時效熱處理鑄鋁合金在疲勞試驗中更加傾向于產生類似海浪狀的裂紋擴展特征。如圖7所示，鑄鋁合金A356-T6僅在實驗室環境中常規疲勞裂紋擴展斷口和超聲疲勞在蒸餾水環境中的疲勞裂紋擴展斷口中出現了類似海浪狀的疲勞裂紋擴展特征。不難發現也只有在這兩種情況下參數p/f的數值超過了臨界值2 Pa/s，即環境濕度對裂紋擴展速率的影響達到了最大，由此可以說明峰值時效熱處理狀態的鑄鋁合金對環境濕度的敏感性要小于過時效熱處理狀態的鑄鋁合金對環境濕度的敏感性。由于Wei建立的濕度環境中的疲勞裂紋擴展速率預測模型利用的是過時效熱處理鋁合金材料，所以對峰值時效熱處理的鑄鋁合金A356-T6在濕度環境中疲勞裂紋擴展速率的預測不再適用。

(a)125MPa，30Hz，實驗室空氣

(b)125MPa，20kHz，蒸餾水

(c)125MPa, 20kHz,干空氣

(d)125MPa, 20kHz,50%濕空氣

(e)125MPa,20kHz,飽和濕空氣圖7　鑄鋁合金A356-T6在不同濕度環境下的裂紋擴展階段ⅡSEM圖

綜上所述，針對Wei建立的鋁合金材料在濕度環境中的疲勞裂紋擴展速率預測模型進行如下修正：為減小環境濕度的影響，取水蒸氣壓力p與試驗頻率f比值的平方根作為計算參數，即

(5)

λtot=λsat

(6)

通過式(5)和式(6)可以預測鑄鋁合金A356-T6在50%濕空氣(p/f=0.0065Pa/s)環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率為

λ50%=(λsat-λmech)·

(7)

由式(5)得到的超聲疲勞在環境濕度為50%中的裂紋擴展速率預測結果如圖8所示，裂紋擴展速率預測結果在應力強度因子大于4.5MPa?m1/2時與試驗結果吻合度比較高，在應力強度因子小于4.5MPa?m1/2時略低于試驗結果。由此可知，式(5)可以預測任意環境濕度和試驗頻率下的鑄鋁合金A356-T6的疲勞裂紋擴展速率。

圖8　鑄鋁合金A356-T6在Wei模型修正后的預測裂紋擴展速率曲線(20℃，125MPa,20kHz,50%濕空氣)

3　結論

(1)首次得到了鑄鋁合金A356-T6在干空氣、50%濕空氣、飽和濕空氣和蒸餾水環境中的超聲疲勞裂紋擴展速率曲線和常規疲勞在實驗室環境中的裂紋擴展速率曲線。通過試驗發現隨著環境濕度的增大，超聲疲勞的裂紋擴展速率也隨之增大，同時還發現超聲疲勞在蒸餾水環境中的裂紋擴展速率和常規疲勞在實驗室環境中的裂紋擴展速率一致。

[1]Stanzl-Tscegg S E, Mayer H. Fatigue and Fatigue Crack Growth of Aluminum Alloys at Very High Numbers of Cycles[J]. Int. J. Fatigue, 2001, 23: 231-237.

[2]Bathias C, Paris C P. Gigacycle Fatigue of Metallic Aircraft Components[J]. Int. J. Fatigue, 2001, 23: 894-897.

[3]Shyam A, Allison J E, Jones J W. Small Fatigue Crack Growth Relationship and Its Application to Cast Aluminum[J]. Acta Mater, 2005, 53: 1499-1509.

[4]Engler-Pinto C C, Frisch R J, Lasecki J V, et al. High Cycle Fatigue of Cast Aluminum Alloys at Ultrasonic Frequency[J]. SAE Technique Paper Series, 2006-01-0540.

[5]Zhu X, Shyam A, Jones J W, et al. Effects of Microstructure and Temperature on Fatigue Behavior of E319-T7 Cast Aluminum Alloy in Very Long Life Cycles[J]. Int. J. Fatigue, 2006, 28(11): 1566-1571.

[6]Weir T W, Simmons G W. A Model for Surface Reaction and Transport Controlled Fatigue Crack Growth[J]. Scripta Metallurgica, 1980, 14: 357-364.

[7]Wei R P, Simmons G W. Recent Progress in Understanding Environment Assisted Fatigue Crack Growth[J]. Int. J. Fracture, 1981, 17(2): 235-247.

[8]Wei R P. Environmentally Assisted Fracture Crack Growth, in Advances in Fatigue Science and Technology[R]. Norwell, MA:Kluwer Academic Publishers, 1989, 221-252.

[9]Stanzl S E, Mayer H, Tschegg E K. The Influence of Air Humidity on Near-threshold Fatigue Crack Growth of 2024-T3 Aluminum Alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 1991,147(1):45-54.

[10]Holper B. Near Threshold Fatigue Crack Growth at Positive Load Ration in Aluminum Alloys at Low and Ultrasonic Frequency: Influence of Strain Rate, Slip Behavior and Air Humidity[J]. Int. J. Fatigue, 2004, 26(1):27-38.

[11]Pao P S, Gao M, Wei R P. Environmentally Assisted Fatigue-crack Growth in 7075 and 7075 Aluminum Alloys[J]. Scripta Metallurgica, 1985, 19: 265-270.

[12]Papakyriacou M, Mayer H, Fuchs U, et al. Influence of Atmospheric Moisture on Slow Fatigue Crack Growth at Ultrasonic Frequency in Aluminum and Magnesium Alloys[J]. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 2002, 25: 795-804.

[13]Wei R P. Environmental Considerations for Fatigue Cracking[J]. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structure, 2002, 25: 845-854.

[14]Newman J C, Raju I S. An Empirical Stress-intensity Factor Equation for the Surface Crack. Engineering Fracture Mechanics[J]. 1981,15:185-192.

[15]Gao M, Pao P S, Wei R P. Chemical and Metallurgical Aspects of Environmentally assisted Fatigue Crack Growth in 7075 Aluminum Alloy[J]. Metallugical Transctions A, 1998, 19A: 1739-1750.

[16]Gangloff R P. Hydrogen Assisted Cracking of Hi-gh StrengthAlloys[J]. Comprehensive Structural Integrity,2003, 6: 31-101.

[17]Mabru C, Bertheau D, Pautrot S, et al. Influence of Temperature and Environment on Fatigue Crack Propagation in a TiAl-based Alloy[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1999, 64: 23-47.

(編輯郭偉)

EffectsofHumidityonUltrasonicFatigueCrackGrowthRateofaCastAluminumAlloy

LiWenkai1CuiHaitao1WenWeidong1SuXuming2CCEngler-PintoJr2

1.JiangsuProvinceKeyLaboratoryofAerospacePowerSystem,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,210016 2.ResearchandInnovationCenter,Dearborn,MI,American,48121

Severalfatiguecrackgrowthtestsonacastaluminumalloy(A356-T6)wereperformedhereinunderdifferentfrequenciesandhumiditylevels.Theexperimentedresultsshowthatultrasonicfatigueindryairandindistilledwaterhavelowestandhighestcrackgrowthraterespectively.Conventionalfatigueinlabairhasalmostsamecrackgrowthrateasultrasonicfatigueindistilledwater.Wei’sfatiguecrackgrowthratepredictionmodelwasmodified,whichcouldbeusedtopredictthefatiguecrackgrowthrateforpeakagedcastaluminumalloyunderdifferentfrequenciesandhumiditylevels.

castaluminumalloy;ultrasonicfatigue;crackgrowth;environmentalhumidity

2015-11-10

O346.2

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.021

李文凱，男，1987年生。南京航空航天大學能源與動力學院博士研究生。主要研究方向為環境濕度對鑄鋁合金的超聲疲勞行為以及疲勞裂紋擴展速率的影響。崔海濤，男，1971年生。南京航空航天大學能源與動力學院教授、博士研究生導師。溫衛東，男，1958年生。南京航空航天大學能源與動力學院教授、博士研究生導師。蘇旭明，男，1958年生。北美福特汽車研究與創新中心計算材料科學研究小組組長。CCEngler-PintoJr, 男，北美福特汽車研究與創新中心計算材料科學研究小組研究員。