軌道車輛用5083鋁合金板材的疲勞性能研究

鋁合金比強度和比剛度高，易于成形，廣泛應用于航空、航天、交通運輸等領域，成為地鐵、列車、輕軌、高速列車等實現輕量化、現代化的有效途徑。5083鋁合金具有較高的強度，較高的塑性、抗腐蝕性及易加工性，被廣泛應用于高速列車的外板、車頂板、波紋板、車體、補強板、側墻板和端墻板、車體構件、底架構件、骨架等結構

。高速列車在運行過程中，結構將要承受由于振動引起的循環載荷作用且破壞形式主要是疲勞斷裂。因此，研究高速列車用5083鋁合金的疲勞性能，具有重要意義。

研究材料的疲勞性能，最常用的就是研究其疲勞-壽命曲線，即材料的S-N曲線，它是疲勞設計的基礎。根據材料的S-N曲線，可以知道材料在不同應力作用時的疲勞壽命，也可以知道在某一疲勞壽命下材料所能承受的最大應力。文獻[1]和文獻[2]分別研究了焊縫余高和拋丸處理對5083鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響，文獻[3]研究了厚度對5083鋁合金薄板超高周彎曲疲勞性能的影響，以上文獻中雖然提到了有關5083鋁合金及其焊接接頭的S-N曲線，但試驗數據明顯不足，也未提到5083鋁合金沿軋制及垂直軋制方向上疲勞性能的差異。

本文采用高頻疲勞試驗機加載，以板狀試樣形式，通過成組試驗方法，研究軌道車輛用5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的S-N數據分布規律，進而擬合成S-N曲線，以期為5083鋁合金在軌道車輛上不同部位的應用提供參考和依據。

1 試驗材料和方法

試驗材料為板狀5083鋁合金，板厚為4mm，處理工藝為冷軋，材料狀態為O態。分別沿軋制方向（L向）和垂直軋制方向（T向）取樣，試樣圖見圖5。

試驗依據GB/T3075-2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》，在GPS 200型高頻疲勞試驗機上進行。試驗頻率為（100～110）Hz，應力比為-1，波形為正弦波，在室溫大氣環境中進行。S-N曲線采用成組法進行，即分3～5個應力級別，每個應力水平下完成3～5件試樣。指定壽命為107次。對獲得的S-N數據，采用Basquin公式進行擬合，同一應力水平下的疲勞壽命采用對數均值法處理。考慮到文獻[5]中提到的有關采用Basquin公式擬合時由于處理方法不一可能引入的誤差，采用先以疲勞壽命為函數，以最大應力為自變量進行曲線擬合，再轉換其自變量和函數的處理方法，得到試驗材料的S-N曲線方程，具體處理過程參考文獻[5]。

2 試驗結果與分析

在中短壽命區（疲勞壽命小于等于5×10

時），沿軋制方向具有較高的疲勞抗力；在較長壽命區（疲勞壽命大于等于5×10

時），垂直軋制方向具有較高的疲勞抗力。根據這個研究結果，可以用于指導5083鋁合金在軌道車輛車廂不同部位的應用。

5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的基于Basquin公式的S-N方程為：

從本文中5083鋁合金兩個方向上的S-N曲線可見，二者存在交叉現象。表明5083鋁合金沿軋制方向和垂直軋制方向具有不同的疲勞性能，兩個方向上材料抗疲勞能力是不一樣的。

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材料的S-N曲線是名義應力設計法（也稱為常規疲勞設計法）的主要設計依據。

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從圖8中可見，隨著疲勞壽命的延長，5083鋁合金兩個方向上所能承受的最大應力均呈下降趨勢，但沿L方向上最大應力下降的速率較快。在有效疲勞壽命區內，兩條曲線存在交叉現象，曲線交叉點對應的疲勞壽命約為5×10

次，對應的最大應力約為133.5MPa。當外加最大應力大于133.5MPa時，沿L方向的疲勞壽命較長；當外加應力等于133.5MPa時，沿L方向和沿T方向具有相當的疲勞壽命；當外加應力大于133.5MPa時，沿T方向的疲勞壽命較長。

3 討論

現在有很多所謂的中小學生必讀書目。我覺得這其實不太靠譜，因為每個孩子的閱讀興趣不一樣，必讀書單里往往會出現一些“大部頭”，孩子讀起來可能味同嚼蠟，從而喪失閱讀興趣。我覺得從來就不應該有什么“必讀書”，孩子們有自己選擇讀什么書的權利。有的孩子偏好童話，有的喜歡冒險故事，有的愛看科幻小說，有的喜歡漫畫……就好像吃飯，總是蘿卜青菜各有所愛的。

通常完整的S-N曲線包括其前半部分和后半部分。其前半部分通常用成組法完成，后半部分通常用升降法完成。根據使用壽命的長短，S-N曲線的前半部分可用于有限壽命設計（又稱安全壽命設計），后半部分可用于無限壽命設計。一般提到的S-N曲線，如沒有著重說明，一般指的是其前半部分。本文中，只研究5083鋁合金S-N曲線的前半部分。

從圖6和圖7可見，對于5083鋁合金而言，沿T方向和沿L方向，在同一應力水平下，數據有一定的分散性。疲勞試驗數據的分散性通常來自材料本身的組織不均勻性、取樣位置的差異，以及不同的加載方式等多種因素。進行疲勞試驗時，原則上講，由于疲勞數據不可避免的分散性，同一應力水平下，需要做一定數量的試樣，以盡可能能反映出各種因素對材料疲勞試驗數據分散性的影響。

按照以上試驗方法，獲得了5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向的S-N數據。對于S-N試驗數據，采用Basquin公式進行擬合，見圖6和圖7。

為了比較5083鋁合金板材沿軋制L方向和垂直軋制T方向S-N曲線的差異，將圖6和圖7中的S-N曲線放在同一坐標下進行比較，見圖8。

礦區內構造比較復雜，褶皺構造主要分布于古元古界金水口巖群的老變質地層中，斷裂構造以NW向韌性、脆性斷裂為主，對石墨礦的遷移富集有一定的改造作用。礦區內無巖漿巖出露。

4 結論

（1）對于本文中研究的軌道車輛用5083鋁合金而言，兩個方向的S-N曲線在整個壽命區內存在交叉現象，曲線交叉點對應的最大應力約為133.5MPa，對應的疲勞壽命約為5×10

次；

（2）當外加最大應力大于133.5MPa時，沿L方向的疲勞壽命較長；當外加應力等于133.5MPa時，沿L方向和沿T方向具有相當的疲勞壽命；當外加應力小于133.5MPa時，沿T方向的疲勞壽命較長。

（3）本文發現了5083鋁合金沿軋制及垂直軋制方向上疲勞性能的差異。更新了長期以來，人們在5083鋁合金實際應用過程中的認知習慣（通常，人們在5083鋁合金實際應用過程中認為，沿軋制方向材料的疲勞性能更好。）。

政府可承受、農民可接受、發展可持續，在這場土地改革中，我們積極探索，用優化土地資源的成功實踐與創新，創造了“嘉興模式”。

可以更好的指導5083鋁合金在軌道車輛車廂不同部位的應用。當外加最大應力大于133.5MPa時，應使用L方向作為主承載方向；當外加最大應力小于133.5MPa時，應使用T方向作為主承載方向；當外加應力等于133.5MPa時，沿L方向和沿T方向均可作為主承載方向。

[1]周琳,金成．劉建等．焊縫余高對A5083鋁合金焊接接頭低溫疲勞性能的影響[J]．熱加工工藝，2017,46(21)：,64-67．

[2]云中煌,丁潔瓊,李東風等．拋丸處理對A5083鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J]．點焊接,2014,44(3)：89-92．

[3]梁凌宇,王弘,董軒成．厚度對5083鋁合金薄板超高周彎曲疲勞性能的影響[J]．機械工程材料,2016,40(3)：85-88．

[4]羅健,蹇海根,徐國新等．退火態5083鋁合金焊接接頭組織與性能分析[J]．湖南工業大學學報,2017,31(4)：59-64．

[5]張亞軍．S-N疲勞曲線的數學表達式處理方法探討[J]．理化檢驗-物理分冊,2007,43(11)：563-565．