轨道交通用铝合金的疲劳扩展行为研究

张 然 勾 宁 黄 斌 饶 旭 廖福成

上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620

引言

近年来，世界性能源问题以及各国对环保的重视，使得列车制造业把减轻列车质量，降低成本作为提高未来列车发展的方向，其中采用铝合金材料代替钢材在列车上的应用是重要措施之一。铝合金不仅有减重性好、耐蚀性好、运行性好、加工性好、产品质量高、寿命周期成本低等优点，而且维修费低、节能，满足了再制造、再使用等可持续发展的要求。但是铝合金也是有一定的使用寿命，那么，能了解铝合金疲劳扩展的过程，将会对使用铝合金过程中降低因疲劳裂纹而造成的经济损失有重大意义。本文对于铝合金试样的疲劳寿命进行了分析，并运用光学显微镜及电子扫描研究了其金相组织，同时对断口进行仔细观察并分析，之后具体阐述了裂纹形成及发展的过程。得出A6N01铝合金疲劳裂纹源萌生于合金内部的加工缺陷或粗大夹杂处, 疲劳裂纹扩展都伴随着小平面断裂的发生。

1 实验材料和方法

1.1 试验材料

试验用材料为A6N01铝合金，供货状态为T5(即由高温成形过程中冷却，然后进行人工时效的状态)，厚度5mm。成分如下表表1：

表1 A6N01铝合金的化学成分%

材料特点：A6N01铝合金为Al-Zn-Mg热处理强化型高强铝合金，通过加入适量Mn、Cr、Zr 等微量元素有效提高合金的再结晶温度和可焊性，是综合性能较为优异的铝合金，其强度高、挤压性较好、耐蚀性好，适于制造车体、底架、框架等型材。

1.2 实验方法

1.2.1 将母材用120～1200的砂纸磨好抛光之后，放在受载100千牛顿的高频疲劳试验机上做疲劳循环实验，记录不同裂纹扩展阶段的循环次数，直到断裂。重复以上操作及得到疲劳寿命曲线S-N曲线。

1.2.2 在试样断裂后锯断离处2厘米得到电镜扫描的试样，清洗后吹干放在丙酮溶液中在SK3300H型超声波震荡仪中清洗10分钟.使用S-3400N型扫描电镜对铝合金疲劳断口进行显微组织观察。

1.2.3 在做上述实验时，在不同的裂纹扩展阶段进行低周疲劳表面裂纹早期萌生与扩展的观察，为了反映疲劳裂纹早期萌生的细微过程，在疲劳裂纹形核和萌生的早期阶段采用SEM表面直接观察法研究表面裂纹的萌生过程。

2 试验结果与分析

2.1 A6N01铝合金的疲劳性能

试验是在室温干燥环境中进行的。打开疲劳试验机电源，根据疲劳试样更换夹具，并调节夹具到适当位置以安装试样，安装试样时应注意使其位于夹具的正中央，并尽量旋紧螺栓以保证试验结果的准确性。在进行试样的疲劳试验前，用手动调节使加载应力清零,试验定为脉动加载，加载方式为正弦波，合金试样在99.5HZ频率下进行疲劳试验，应力比为R=0，进行到试样断裂为止停止计数。

2.2 A6N01铝合金疲劳断口的SEM分析

使用S-3400N型扫描电镜对铝合金疲劳断口进行显微组织观察，并以此分析各试样的疲劳性能。图2为A6N01铝合金在0.5σb作用下疲劳断口的SEM形貌。

图1 铝合金疲劳断口的SEM分析示意图

图1中a—裂纹起于式样边缘；b—疲劳源；c—起裂点。裂纹起源于试样边缘，铝合金A6N01疲劳断口有明显的疲劳源，在铝合金的内部存在杂质与气孔。当铝合金受到循环应力作为载荷时，在这些杂质和气孔的周围应力分布会不均匀，它将会作为形核的质点，在此处形成大的第二相构成了疲劳断裂的一个主要疲劳源。

图2 裂纹扩展区及疲劳条带示意图

图3 铝合金瞬断区示意图

图2中a.b是不同放大倍数下的裂纹扩展区及疲劳条带，A6N01铝合金的质地分布较为均匀当裂纹形成后内部应力较为均匀，所以疲劳扩展速率比较均衡，且形成了疲劳条带，有鱼鳞状的形貌。

图3所示铝合金a—靠近瞬断区的扩展区；b—瞬断区部出现解离；c—撕裂棱结构；d—韧窝。

在瞬断区中存在断裂的撕裂棱和韧性断裂的韧窝，属于塑韧性较好的韧性断裂。由图4a可以看出韧窝底部为中空的，韧窝的大小较为均匀，这表明合金具有较好的韧性，此处不容易成为断裂区。合金靠近瞬断区的扩展区，韧窝结构分明，表明扩展区为韧性开裂。图3b中可以看到明显的断裂点，在瞬断图的右部，出现了部分解理特征。图3c中可以看到明显的一条凸出的断带，此为撕裂棱结构，表明裂纹扩展中，不是一个断裂面，而是两个断裂面扩展到会合阶段撕裂而成的。图3d中有许多韧窝，这是瞬间断裂留下的，韧窝较小，表明合金组织具有较好的塑韧性。

2.3 A6N01铝合金疲劳裂纹扩展行为观察与分析

图4 疲劳裂纹扩展示意图

常规的经典疲劳强度理论——名义应力法及局部应力应变分析法，目前仍然是工程应用最广泛的一种抗疲劳设计方法。人们利用金相显微镜观察金属微观结构，发现了破坏的过程可分为三个阶段，第一个阶段是疲劳裂纹的形成；第二个阶段是疲劳裂纹的扩展；第三个阶段是裂纹的瞬时断裂，由于瞬时断裂的时间很短，所以疲劳寿命主要由于疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命组成，也就是说构件或构件的疲劳寿命一般分为裂纹形成和裂纹扩展寿命两部分。

图4疲劳裂纹扩展示意图中a—起裂源；b—裂纹尖端；c—起裂区；d—扩展区。

在大晶粒的晶界处由所受的应力不均匀产生晶粒滑移和细小裂纹，很有可能慢慢发展为大的裂纹甚至裂缝。由图4b可见，A6N01铝合金疲劳裂纹尖端，裂尖前方组织开始出现疏松现象，裂尖的扩展比较曲折，伴随有细小裂纹分支;由c可见，起裂区起源于边缘，扩展方向在晶界上发生相对接近90°的变化;由d可见，在裂纹扩展的同时，也会伴有细小的裂纹分支，并且扩展方向也是接近90°的变化。裂纹的持续扩展,使剩余截面上的应力不断增加,裂纹扩展速率也相应地增加，当剩余面积不足于支持所加载荷时,试样即发生瞬间断裂。瞬断区的断口形貌均呈韧窝状,是典型的静载撕裂特征,应力较低时,疲劳区面积相对较大,而应力高时,疲劳区面积则相应较小。

3 结语

(1)A6N01铝合金当加载循环增加时，试样的疲劳损伤随之增长。

(2)A6N01铝合金疲劳裂纹源萌生于合金内部的加工缺陷或粗大夹杂处, 疲劳裂纹扩展都伴随着小平面断裂的发生。

(3)气孔成为主要的应力集中区域,气孔对于铝合金疲劳性能的影响取决于气孔的宏观尺度。当气孔直径足够大且数量很多或在表面附近存在时，就会对疲劳性能有明显的影响，并加速疲劳裂纹的扩展。

(4)断口可分为三个区域：起裂源、裂纹扩展区以及瞬断区。扩展区内存在疲劳辉纹，瞬断区的韧窝表明母材具有较好的韧性，但由于强度较低,容易成为断裂区。

[1]I.J.波尔米尔.轻合金[M].陈昌麒等译.北京：国防工业出版社，1980：66

[2]弗利德良杰尔.高强度变形铝合金[M].吴学译.上海：上海科学技术出版社，1963：46-47

[3]宋仁国，张宝金，曾梅光等.金属热处理学报，1996：34-36