影響鋁合金疲勞性能的因素探討

王源

摘要：鋁合金具備組織各向同性、價格便宜、能夠得到獨特的組織、易于加工外形繁瑣的零件等其它特征，所以在大量結(jié)構(gòu)上能夠取代鍛鋼與鑄鐵等，不但減少了結(jié)構(gòu)的重量，同時減少了成本費用，所以其在汽車、航空航天等行業(yè)有著大量的運用。鋁合金的疲勞性能遭受著大量因素的影響。

關(guān)鍵詞：鋁合金；疲勞性能；影響因素

1 前言

鋁合金是工業(yè)領(lǐng)域運用最多的一種有色金屬結(jié)構(gòu)原料，其具備較高的比強度、較低的密度，并且有著較好的耐蝕性、導(dǎo)熱性等其它性能。鋁合金往往會發(fā)生無法監(jiān)測與防范的疲勞斷裂，之前無法觀察到顯著的塑性形變，同時此問題在所有的領(lǐng)域均有發(fā)生，此類突然斷裂的失效方式通常會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，嚴重危及著人們的生命財產(chǎn)安全。

2 鋁合金疲勞的種類

鋁合金疲勞損壞歸屬金屬疲勞，根據(jù)破壞緣由主要有熱疲勞、腐蝕疲勞以及機械疲勞三種。

（1）熱疲勞

熱疲勞是因為在熱應(yīng)變與循環(huán)熱應(yīng)力的影響之下所形成的疲勞破壞。內(nèi)部約束與外部約束是形成熱疲勞所必備的兩個要素，外部約束所指的是限制材料的自由膨脹，內(nèi)部約束所指的是形成溫度梯度，以使得材料發(fā)生膨脹，然而因為約束進而形成熱應(yīng)變和熱應(yīng)力，通過相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)以后，造成裂紋的產(chǎn)生、擴展。

（2）腐蝕疲勞

化工設(shè)施又或是海洋環(huán)境里面大量的金屬材料組件均工作于腐蝕的環(huán)境里面，并且還肩負著交變載荷所產(chǎn)生的作用，與普通環(huán)境所肩負的交變載荷的狀況對比而言，交變載荷和侵蝕性環(huán)境的共同影響同樣會削弱組件的疲勞性能，從而導(dǎo)致破壞和開裂。

（3）機械疲勞

機械疲勞所指的是機械部件在只具備外加應(yīng)力又或是應(yīng)變波動的狀況之下，雖然所承擔的應(yīng)力遠低于原料的屈服點，然而在長期運作之后形成裂紋又或是突然出現(xiàn)斷裂。在循環(huán)應(yīng)力水平相對較低的時候，彈性應(yīng)變發(fā)揮著主導(dǎo)性的作用，這個時候的疲勞壽命相對較久，即高周疲勞，又被稱之為應(yīng)力疲勞；在循環(huán)應(yīng)力水平相對較高的時候，塑性應(yīng)發(fā)揮著主導(dǎo)性的作用，這個時候的疲勞壽命相對較短，即低周疲勞，又被稱之為塑性疲勞。

3 鋁合金疲勞性能的影響因素分析

3.1 孔洞的影響

在澆鑄環(huán)節(jié)，必然會引起氧化物夾雜、孔洞等其它的鑄造缺陷，孔洞主要有氣孔與縮孔兩種，縮孔是在澆注環(huán)節(jié)補縮不完全以及金屬液體流通不足所造成的，展示為不規(guī)則的三維架構(gòu)，氣孔大多是由氫氣在固液金屬里面溶解度不一樣無法即時排出所造成的，展示為光滑的半球形狀。因為縮孔外形的不規(guī)則，對于疲勞壽命有著非常大的影響。此兩類孔洞和氧化膜的產(chǎn)生均有著非常大的關(guān)聯(lián)。在外應(yīng)力存在的環(huán)境狀況下，上述缺陷（氧化物、氣孔等等）發(fā)揮著缺口的作用，便會在附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)變成疲勞裂紋萌生的來源，在一定程度上減少了疲勞裂紋產(chǎn)生所需要的時間。孔洞對于鋁合金的疲勞特性有著顯著的影響，包含疲勞裂紋產(chǎn)生、擴展等所有的過程。孔洞在疲勞環(huán)節(jié)所起到的作用同樣與本身布局特征有著較大的關(guān)聯(lián)，此特征涵蓋體積分數(shù)、孔洞尺寸以及布局位置等等。

3.2 海洋大氣腐蝕的影響

鋁合金在運用環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)局部腐蝕，更有甚者會造成結(jié)構(gòu)失效。尤其是在較為苛刻的大氣環(huán)境之中，例如：海洋大氣，海洋性大氣里面所包含的硝酸根離子、氯離子以及硫酸根離子等等均會損壞鋁合金外表所產(chǎn)生的保護膜，進而出現(xiàn)非常嚴重的局部腐蝕，例如：點蝕，對其外觀與運用時間均有著非常大的影響。

3.3 加載路徑的影響

不一樣的加載路徑形成不一樣的斷口形貌，橢圓形路徑斷口有著非常多的韌窩，正方形路徑具備顯著的臺階狀特點，矩形和圓形路徑下斷口存在著顯著的碳化區(qū)，能夠得知疲勞裂紋是由試件內(nèi)部的夾雜物處所形成的。

不一樣的加載路徑有著不一樣的斷口位錯架構(gòu)，位錯的密度愈高，抵御形變的能力也就愈強，其疲勞壽命就會更加之短。橢圓形路徑位錯線布局相對雜亂，正方形路徑產(chǎn)生交叉滑移帶，矩形路徑初期產(chǎn)生交叉滑移帶，位錯密度由大至小依次是：圓形、正方形、矩形以及橢圓形等，疲勞壽命的改變規(guī)律與之完全相反。

3.4 表面加工狀態(tài)和溫度的影響

在試件又或是部件的機加工環(huán)節(jié)，其外表會出現(xiàn)塑性形變，形成殘余應(yīng)力，進而對其疲勞強度產(chǎn)生影響。殘余壓應(yīng)力能夠在缺口位置處聚集，可以有效的削弱缺口根處的拉應(yīng)力峰值，增強疲勞強度。除此之外，由于材料外表通過加工以后，表面缺陷往往會轉(zhuǎn)變成較為尖銳的缺口，應(yīng)力在缺口位置處聚集造成外表滑移帶的開裂，在載荷下滑移帶加寬至相應(yīng)程度之時，因為位錯塞積與交割的影響，就會在駐留滑移帶處產(chǎn)生微裂紋。

溫度是對鋁合金疲勞性能產(chǎn)生影響的另一重要的要素。有關(guān)研究表明，伴隨溫度的不斷增加，完全相同的循環(huán)應(yīng)力所相應(yīng)的塑性應(yīng)變有較為顯著的提升，進而加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生進程，造成鋁合金的疲勞壽命有大幅度的減少。在高溫環(huán)境之下，部分合金再結(jié)晶的出現(xiàn)以使組織形成較為粗大的晶粒，對其疲勞強度產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

總而言之，孔洞尺寸、海洋大氣腐蝕、加載路徑以及表面加工狀態(tài)與溫度等都會對鋁合金的疲勞裂紋產(chǎn)生非常大的影響。除此之外，當前與鋁合金疲勞相關(guān)的分析大都聚集于單軸拉壓狀態(tài)的某一、兩個應(yīng)力又或是應(yīng)變幅值之下，疲勞數(shù)據(jù)的累積并不完善，同時與多軸拉扭疲勞相關(guān)的研究相對較少，然而在現(xiàn)實工況之中，磁浮列車、汽車的核心組件往往處在多軸受力環(huán)境下，其疲勞行為和單軸加載完全不同，需要更加深入的研究。

參考文獻：

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