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(jià)格便宜、能夠得到獨(dú)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(shí)減少了成本費(fèi)用，所以其在汽車、航空航天等行業(yè)有著大量的運(yùn)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(yùn)用最多的一種有色金屬結(jié)構(gòu)原料，其具備較高的比強(qiáng)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(huì)發(fā)生無法監(jiān)測(cè)與防范的疲勞斷裂，之前無法觀察到顯著的塑性形變，同時(shí)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(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，嚴(yán)重危及著人們的生命財(cái)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(jī)械疲勞三種。

（1）熱疲勞

熱疲勞是因?yàn)樵跓釕?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(gè)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?yàn)榧s束進(jìn)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(kuò)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(fù)著交變載荷所產(chǎn)生的作用，與普通環(huán)境所肩負(fù)的交變載荷的狀況對(duì)比而言，交變載荷和侵蝕性環(huán)境的共同影響同樣會(huì)削弱組件的疲勞性能，從而導(dǎo)致破壞和開裂。

（3）機(jī)械疲勞

機(jī)械疲勞所指的是機(jī)械部件在只具備外加應(yīng)力又或是應(yīng)變波動(dòng)的狀況之下，雖然所承擔(dān)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于原料的屈服點(diǎn)，然而在長(zhǎng)期運(yùn)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(duì)較低的時(shí)候，彈性應(yīng)變發(fā)揮著主導(dǎo)性的作用，這個(gè)時(shí)候的疲勞壽命相對(duì)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(duì)較高的時(shí)候，塑性應(yīng)發(fā)揮著主導(dǎo)性的作用，這個(gè)時(shí)候的疲勞壽命相對(duì)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(huì)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(bǔ)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(shí)排出所造成的，展示為光滑的半球形狀。因?yàn)榭s孔外形的不規(guī)則，對(duì)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(huì)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(shí)間。孔洞對(duì)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(kuò)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?jǐn)?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(yùn)用環(huán)節(jié)極易出現(xiàn)局部腐蝕，更有甚者會(huì)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(huì)損壞鋁合金外表所產(chǎn)生的保護(hù)膜，進(jìn)而出現(xiàn)非常嚴(yán)重的局部腐蝕，例如：點(diǎn)蝕，對(duì)其外觀與運(yùn)用時(shí)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(tái)階狀特點(diǎn)，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(cuò)架構(gòu)，位錯(cuò)的密度愈高，抵御形變的能力也就愈強(qiáng)，其疲勞壽命就會(huì)更加之短。橢圓形路徑位錯(cuò)線布局相對(duì)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(cuò)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(jī)加工環(huán)節(jié)，其外表會(huì)出現(xiàn)塑性形變，形成殘余應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)其疲勞強(qiáng)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(qiáng)疲勞強(qiáng)度。除此之外，由于材料外表通過加工以后，表面缺陷往往會(huì)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(shí)，因?yàn)槲诲e(cuò)塞積與交割的影響，就會(huì)在駐留滑移帶處產(chǎn)生微裂紋。

溫度是對(duì)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(jìn)而加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生進(jìn)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(duì)其疲勞強(qiáng)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(huì)對(duì)鋁合金的疲勞裂紋產(chǎn)生非常大的影響。除此之外，當(dāng)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(gè)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(shí)與多軸拉扭疲勞相關(guān)的研究相對(duì)較少，然而在現(xiàn)實(shí)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。

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