缺口應力集中對5083-H111鋁合金超高周疲勞性能的影響

（西南交通大學力學與工程學院，四川成都610031）

（西南交通大學力學與工程學院，四川成都610031）

為正確評價超高周范圍內帶缺口的5083-H111鋁合金疲勞強度的降低程度和疲勞強度對缺口的敏感程度，用20 kHz的超聲疲勞實驗技術分別對漏斗形光滑試件、缺口（2種）試件進行了105～1010周次的對稱拉壓超聲疲勞實驗，并用掃描電鏡分析了疲勞斷口形貌.結果表明：在1010周次內，光滑和缺口試件疲勞曲線分別表現出極限平臺型和連續下降型特征，缺口顯著降低了5083-H111鋁合金的疲勞性能；絕大部分試件疲勞裂紋萌生于表面，斷口上沒有觀察到“魚眼”形貌特征.理論應力集中系數為1.94的試件疲勞弧線成凹形，理論應力集中系數為2.90的試件裂紋源分布在斷口四周；不同的疲勞裂紋萌生機制使得缺口應力集中對疲勞性能的影響規律不同，對于只有一種表面裂紋萌生機制的5083-H111鋁合金，超高周范圍內疲勞缺口系數和疲勞缺口敏感系數均隨著疲勞壽命的增加而增加.

5083-H111鋁合金；超高周疲勞；疲勞斷口；缺口應力集中；疲勞缺口系數；疲勞缺口敏感系數

實際工程構件常常帶有拐角、臺階、螺栓孔等缺陷，這些缺陷稱為缺口.缺口處幾何形狀發生突變，局部區域應力顯著升高，產生應力集中，應力集中對構件疲勞壽命影響很大.5083-H111鋁合金是常用于高速列車等設備的新型鋁合金，有良好的抗腐蝕性、可焊接性、中等強度和質量輕等特點.以時速為300 km的我國高速列車為例，一年服役期內關鍵構架材料的實際使用壽命已經達到了108周次，這要求車體材料有更好的疲勞性能.超高周疲勞研究表明，一些材料，如高強度鋼［1］、合金鋼［2］、鈦合金、鋁合金［3-5］等，在大于107周次的超高周范圍內會出現疲勞破壞，疲勞應力壽命S-N曲線在傳統常規疲勞極限后仍會下降，疲勞裂紋萌生機理也趨向于在斷口次表面或者內部萌生［6］.

目前對鋁合金超高周疲勞性能的研究不及鋼的研究深入，特別是在超高周范圍內（疲勞壽命Nf＞107周次），由于受傳統實驗頻率的限制，很少學者開展1010超高周范圍內缺口應力集中對疲勞性能影響的研究.因此，研究5083-H111鋁合金超高周范圍內疲勞性能及缺口應力集中對疲勞性能的影響，預測構件的壽命，評估安全性和可靠性具有重大意義.本文采用超聲疲勞實驗技術［7］研究5083-H111鋁合金光滑和缺口試件105～1010范圍內的超高周疲勞性能，并得到缺口應力集中對疲勞性能的影響規律及機理，同時用掃描電鏡觀察疲勞斷口，揭示其疲勞裂紋萌生機理.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

研究所用材料為5083-H111鋁合金軋制板材，主要化學成分（質量百分比）見表1.

表1 5083-H111鋁合金化學成分Tab.1 Composition of 5083-H111 aluminum alloy wB%

5083-H111鋁合金供貨狀態為H111，即退火后再進行適量的加工硬化，但硬化程度不如H11狀態的鋁合金.5083-H111為擠壓態，沿著擠壓方向有纖維狀組織.晶粒受到塑性擠壓，呈長條狀，常規力學性能見表2，表中：E為彈性模量；σs為屈服強度；σb為抗拉強度；ρ為密度.

表2 5083-H111鋁合金常規力學性能Tab.2 Material properties of the 5083-H111 aluminum alloy

1.2 試件形狀和尺寸

實驗用試件如圖1所示，有2種形狀3種尺寸.圖1（a）為漏斗光滑試件，圖1（b）為中間含等直段的漏斗缺口試件，缺口形狀為“U”型缺口.

根據超聲疲勞實驗原理，試件第1階縱向振動頻率需滿足系統諧振頻率的要求.根據超聲疲勞試件解析解得到滿足諧振條件的漏斗形光滑試件尺寸［8］，解析計算時試件中間變截面為懸鏈線，但機加工懸鏈線非常困難，因此用圓弧代替，這種代替對試件的諧振頻率和應力位移系數的影響可以略去不計［9］.用有限元軟件Ansys精確計算滿足諧振條件的試件尺寸，如圖1所示.對漏斗缺口試件（圖1（b）），設計兩種尺寸，其中：試件直徑Φ1、Φ2和圓弧半徑R相同，Φ1=12 mm，Φ2=10 mm，R= 260 mm；試件①，r=1.6 mm，L=53.6 mm，d= 0.3 mm；試件②，r=0.5 mm，L=57.2 mm，d= 0.2 mm.

用有限元分析軟件Ansys分析試件縱向振動過程中應力分布規律，試件中間截面應力最大，位移為0.中間截面最大應力幅σmax與端部輸入位移幅A0應滿足［8］

式中：Cs為試件的應力位移系數，MPa/μm，與材料密度、試件尺寸及動態彈性模量有關的量.

根據式（1）可得到外加應力幅值.經有限元軟件Ansys計算，漏斗光滑試件的Cs=8.31 MPa/μm.對于缺口試件，當A0=1 μm時，分別得到2種缺口試件缺口根部對應截面的最大應力（σmax）、平均應力（σm）和理論應力集中系數（Kt），見表3.

圖1 5083-H111鋁合金對稱拉壓超聲疲勞試件Fig.1 Tension-compression ultrasonic fatigue specimens of 5083-H111 aluminum alloy

表3 2種缺口試件理論應力集中系數和應力位移系數Tab.3 The stress displacement coefficient and theoretical stress concentration coefficient of two types of notched specimens

1.3 宏觀實驗方法

用20 kHz的超聲疲勞實驗技術分別對3種試件進行105～1010周次的對稱拉壓疲勞實驗.試件加工采用縱向切割，機械加工保證試件表面光滑度達到0.32 μm，光滑試件在實驗前分別用400#、800#、1 500#金相砂紙打磨試件表面.實驗環境為室溫，振動過程中試件會升溫，而5083-H111鋁合金發熱量小，采用壓縮空氣制冷足以保證試件表面溫度與環境溫度相當.

1.4 微觀實驗方法

用掃描電鏡（scanning electron microscopy，SEM）分別對光滑試件和缺口試件的疲勞斷口進行觀察，確定疲勞裂紋萌生位置，得到裂紋源區、擴展區及瞬斷區形貌特征，研究5083-H111鋁合金疲勞裂紋萌生機理.

2 實驗結果

2.1 疲勞S-N曲線

圖2為5083-H111鋁合金漏斗形光滑和缺口試件在對稱拉壓載荷下105～1010周次內疲勞S-N曲線.圖2中，實心標記的試件為未斷裂試件；疲勞壽命為對數坐標；實線均為Basquin方程擬合得到，σa=σ′f（2Nf）b，這里，σa為應力幅值，σ′f為疲勞強度系數，b為疲勞強度指數，Nf為疲勞壽命，方程式參數見表4.

圖2 5083-H111鋁合金光滑和缺口試件疲勞S-N曲線（實心標記試件為未斷裂試件）Fig.2 S-N diagrams for smooth and notched specimens of 5083-H111 aluminum alloy（solid marks for non-broken specimens）

表4 3種試件S-N曲線Basquin方程式參數Tab.4 Basquin equation parameters of S-N diagrams for three kinds of specimens

由圖2可見：

（1）通常傳統常規疲勞實驗認為，107周次范圍內鋁合金疲勞S-N曲線為連續下降型，即只有條件疲勞極限，但超聲疲勞實驗得到的結果表明，直到109周次，光滑試件和缺口試件S-N曲線形式不同，因此，進行超高周疲勞實驗研究具有重要意義；

（2）漏斗形光滑試件疲勞S-N曲線呈現“極限平臺型”，疲勞壽命大于107周次后S-N曲線出現水平平臺，條件疲勞極限為176 MPa；

（3）理論應力集中系數Kt=1.94和Kt=2.90的兩組缺口實驗，疲勞S-N曲線呈現“連續下降型”，壽命大于107周次后，疲勞S-N曲線下降的趨勢變緩；

（4）缺口顯著降低5083-H111鋁合金的疲勞性能，在本文研究范圍內，理論應力集中系數越大，疲勞性能越差.

2.2 疲勞斷口形貌

5083-H111鋁合金疲勞斷口顯微分析表明，光滑試件和缺口試件疲勞裂紋絕大多數萌生于試件表面，個別萌生于次表面夾雜等缺陷處，如圖2中，3種試件斷口形貌不同，1#試件沒有發現內部萌生現象，也沒有觀察到“魚眼”形貌［10］.圖3為Nf= 7.296×106周次、σa=176 MPa時，漏斗形光滑試件疲勞斷口形貌（圖2中2#試件）.

圖3 光滑試件疲勞斷口形貌（Kt=1）Fig.3 Fracture morphology of smooth specimens with Kt=1

圖3（a）為疲勞斷口低倍形貌圖，疲勞斷口呈現典型的對稱拉壓疲勞斷口形貌，圖3（b）為疲勞裂紋源區，裂紋萌生于試件表面，圖3（c）為疲勞裂紋穩定擴展區，可見疲勞輝紋形貌.可以用Laird提出的“裂尖塑性鈍化模型”來解釋疲勞輝紋的形成.由于壓縮時的裂紋閉合銳化，不能完全消除拉伸時裂紋尖端由于雙滑移而發生的塑性鈍化，在拉壓循環載荷反復作用下，裂紋向前持續擴展，導致疲勞輝紋的形成［11］.

圖4為Kt=1.94、σa=79 MPa、Nf=2.376× 108周次時，試件斷口SEM形貌圖（圖2中3#試件）.

圖4 缺口試件疲勞斷口形貌（Kt=1.94）Fig.4 Fracture morphology of notched specimens with Kt=1.94

圖4（a）表明，疲勞裂紋在試件表面萌生，觀察到從源區起始的由高度不同的疲勞區擴展匯合時相交形成的疲勞溝線，斷口上存在多個裂紋源.由于應力集中的存在使得疲勞弧線成凹形，弧線從疲勞裂紋源區向擴展區凹起，與此相反，光滑試件的疲勞弧線多呈凸形，如圖3（a）所示.通過對缺口根部所在截面應力分析可知，缺口根部所在截面從試件中間到邊緣應力急劇增加，使疲勞裂紋沿外緣表面的擴展速率大于向內部的擴展速率，從而使弧線成凹形.多源形核也使得疲勞弧線從凸向凹轉變［11］.

圖4（b）表明，對于面心立方晶體，在裂紋早期擴展階段易呈現類解理斷裂小平面，同時觀察到二次裂紋.

圖5為Kt=2.90、σa=75 MPa、Nf=2.870× 105周次時，試件斷口SEM形貌圖（圖2中4#試件）.Kt=2.90時，試件的疲勞斷口形貌不同于Kt=1.94試件的疲勞斷口形貌，沿圓周存在多個疲勞裂紋源，中部偏白粗糙區域為瞬斷區，裂紋源區與瞬斷區之間為疲勞擴展區.高應力和高缺口應力集中系數使得疲勞多源形核，導致了如圖5（a）所示的疲勞斷口形貌.在超高周范圍內，通常認為裂紋萌生壽命占總壽命的90%以上［12］，所以疲勞裂紋源區裂紋擴展速率很慢，裂紋反復張開閉合引起斷口反復摩擦，從圖5（b）可見裂紋源區磨損嚴重，斷口平整光滑.

圖5 缺口試件疲勞斷口形貌（Kt=2.90）Fig.5 Fracture morphology of notched specimens with Kt=2.90

用掃描電鏡觀察5083-H111鋁合金疲勞斷口，可以觀察到帶狀組織，并呈現明顯的軋制形貌，如圖3（c）、4（b）所示，材料組織均勻，幾乎沒有夾雜、空洞等組織缺陷，裂紋內部萌生機制不占優勢.而且，鋁合金對試件表面完整性非常敏感［13］，在表面萌生機制和內部萌生機制的競爭中，表面萌生機制占優勢.因此，5083-H111鋁合金疲勞裂紋大部分從試件的表面萌生，未發現內部萌生裂紋的試件，即只有一種表面裂紋萌生機制.

3 缺口應力集中對5083-H111鋁合金疲勞性能的影響

通常用疲勞缺口系數Kf反映疲勞強度的降低程度，用疲勞缺口敏感系數q反映材料在循環載荷作用下的缺口敏感性，

式中：σ-1s為光滑試件疲勞極限；σ-1n為缺口試件疲勞極限.

根據5083-H111鋁合金光滑和缺口試件各階段、不同理論應力集中系數下的Basquin方程（表4），計算給定壽命的條件疲勞極限，利用式（2）、（3），計算不同應力集中系數下Kf和q值，Kf和q隨Nf的變化規律見圖6.

圖6 缺口應力集中對5083-H111鋁合金疲勞性能的影響Fig.6 The influence of notch stress concentration on fatigue properties of 5083-H111 aluminum alloy

從圖6可見，缺口應力集中對5083-H111鋁合金疲勞性能有顯著影響.在疲勞壽命小于5× 109周次范圍內，隨著疲勞壽命的增加，疲勞缺口系數和疲勞缺口敏感系數增大.在5×109周次時達到極值.當疲勞壽命為1010周次時，疲勞缺口系數和疲勞缺口敏感系數減小，即在1010周次范圍內，缺口應力集中對疲勞性能的影響先增大后減弱.107周次對應的疲勞缺口系數分別是1.83和2.98，與兩種缺口試件的理論應力集中系數相當.圖6（b）也表明5083-H111鋁合金對表面完整性非常敏感.

通常傳統常規疲勞在106～107周次內，Kf達到極值后開始呈現下降趨勢，但受限于傳統疲勞實驗的較低加載頻率，很難得到大于107周次范圍內的Kf和q隨疲勞壽命Nf的變化規律.徐灝［14］用傳統低頻疲勞實驗方法研究了40CrNiMoA鋼和30CrMnSiA鋼107周次范圍內Kf隨疲勞壽命的變化規律.對于40CrNiMoA鋼，最大的Kf和q值出現在106周次附近，當Nf＜106周次時，Kf隨著疲勞壽命的增加而增大，當Nf＞106周次時，Kf隨著疲勞壽命的增加而減小，而且理論應力集中系數Kt越大，疲勞缺口系數Kf越大.對于30CrMnSiA鋼，Kf和q均隨著疲勞壽命的增加而增大.

王弘等［15-16］利用超聲疲勞實驗技術研究了超高周范圍內缺口應力集中對40Cr鋼和50鋼疲勞性能的影響，得出缺口應力集中對材料疲勞性能的影響表現出階段性特征的結論，即缺口應力集中對疲勞性能的影響先增大，達到最大值后減小.

綜合5083-H111和40Cr鋼、50鋼的實驗結果，得出以下結論：缺口應力集中對疲勞性能影響的規律與疲勞裂紋萌生機制有關.對于存在表面和內部（或次表面）兩種裂紋萌生機制的50鋼和40Cr鋼，最大的Kf和q值對應疲勞裂紋由表面萌生向內部萌生的轉變.在疲勞裂紋萌生于試件表面的低周階段，由于應力較高，缺口根部應力大于材料的屈服強度，發生塑性變形，缺口應力集中對疲勞性能的影響較小，Kf值較小；高周階段，隨著外加應力的減小，應力集中的影響加大，缺口加速疲勞裂紋形成，Kf值增大.在疲勞裂紋萌生于次表面或者內部的超高周階段，次表面或內部成為薄弱區域，缺口根部產生的應力集中對疲勞性能的影響程度降低，Kf隨著疲勞壽命的增加而減小.

對于只存在一種表面裂紋萌生機制的5083-H111鋁合金，低周階段，由于缺口根部發生塑性變形，缺口應力集中對疲勞性能的影響較小，Kf值較小；在高周和超高周階段，由于疲勞裂紋均萌生于試件表面，缺口根部應力集中的影響一直持續到5×109周次范圍內，此范圍內，Kf和q均隨著疲勞壽命的增加而增大.當應力再次下降，1010周次范圍內試件未發生疲勞斷裂，缺口應力集中對疲勞性能的影響減弱.

4 結 論

（1）在105～1010周次范圍內，5083-H111鋁合金光滑試件疲勞S-N曲線呈現“極限平臺型”，缺口試件疲勞S-N曲線呈現“連續下降型”.

（2）缺口顯著降低5083-H111鋁合金的疲勞性能，本文研究范圍內，理論應力集中系數越大，疲勞性能越差.

（3）掃描電鏡分析表明絕大部分試件疲勞裂紋萌生于表面，沒有發現內部萌生現象，也沒有觀察到“魚眼”形貌特征.

（4）光滑試件和理論應力集中系數分別為1.94、2.90的2種缺口試件的疲勞斷口形貌不同.光滑試件呈現典型的對稱拉壓疲勞斷口；理論應力集中系數為1.94的試件疲勞弧線成凹形；理論應力集中系數為2.90的試件為多源形核，裂紋源分布在斷口圓周，瞬斷區在試件中部.

（5）不同的裂紋萌生機制使得缺口應力集中對材料的影響不同，對于存在兩種裂紋萌生機制的材料，缺口應力集中的影響表現出階段性特征.對于只存在一種疲勞裂紋表面萌生機制的5083-H111鋁合金，表面應力集中的影響一直持續，Kf和q隨著疲勞壽命的增加而增大.

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缺口應力集中對5083-H111鋁合金超高周疲勞性能的影響

閆桂玲， 王 弘， 康國政， 董軒成

Influence of Notch Stress Concentration on Fatigue Properties of 5083-H111 Aluminum Alloy in Very High Cycle Regime

YAN Guiling， WANG Hong， KANG Guozheng， DONG Xuancheng
（School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to correctly evaluate the reduction and sensitivity of fatigue strength to a notch of 5083-H111 aluminum alloy specimen in very high cycle regime，very high cycle fatigue tests were carried out by ultrasonic fatigue technique at a frequency of 20 kHz，using symmetric tensioncompression loading within 105-1010cycles for hourglass-type smooth specimens and two types of notched specimens.The scanning electron microscope（SEM）was used for analysis of the fracture morphology.The experimental results show that the S-N curves exhibited an extreme platform type for the smooth specimens and a continuous decline type for the notched specimens.The fatigue performances of the 5083-H111 aluminum alloy decreased significantly because of the notch stress concentration.Most of the cracks initiated in the surface，but the fish-eye morphology was not found. The macro fatigue striation was concave for the specimen with a theoretical stress concentration factor of 1.94，and the fatigue crack sources were distributed around the fracture surface in specimens with a theoretical stress concentration factor of 2.90.The influence of notch stress concentration on fatigue properties was dependent upon the mechanism of crack initiation.Since only one kind of surface crack initiation mechanism exists in 5083-H111 aluminum alloy，the fatigue notch coefficient and notch sensitivity coefficient increase with increasing number of cycles within the range of 109.

5083-H111 aluminum alloy；very high cycle fatigue；fracture morphology；notch stress concentration；fatigue notch coefficient；fatigue notch sensitive coefficient

0258-2724（2016）05-0944-07

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.018

TG166.3

A

2015-11-25

國家自然科學基金資助項目（11025210）

閆桂玲（1979—），女，博士研究生，研究方向為材料的疲勞斷裂與損傷，E-mail：ygling@swjtu.cn

閆桂玲，王弘，康國政，等.缺口應力集中對5083-H111鋁合金超高周疲勞性能的影響［J］.西南交通大學學報，2016，51（5）：944-950.

（中文編輯：秦 瑜 英文編輯：蘭俊思）