影响铝合金疲劳性能的因素探讨

王源

摘要：铝合金具备组织各向同性、价格便宜、能够得到独特的组织、易于加工外形繁琐的零件等其它特征，所以在大量结构上能够取代锻钢与铸铁等，不但减少了结构的重量，同时减少了成本费用，所以其在汽车、航空航天等行业有着大量的运用。铝合金的疲劳性能遭受着大量因素的影响。

关键词：铝合金；疲劳性能；影响因素

1 前言

铝合金是工业领域运用最多的一种有色金属结构原料，其具备较高的比强度、较低的密度，并且有着较好的耐蚀性、导热性等其它性能。铝合金往往会发生无法监测与防范的疲劳断裂，之前无法观察到显著的塑性形变，同时此问题在所有的领域均有发生，此类突然断裂的失效方式通常会导致灾难性的事故，严重危及着人们的生命财产安全。

2 铝合金疲劳的种类

铝合金疲劳损坏归属金属疲劳，根据破坏缘由主要有热疲劳、腐蚀疲劳以及机械疲劳三种。

（1）热疲劳

热疲劳是因为在热应变与循环热应力的影响之下所形成的疲劳破坏。内部约束与外部约束是形成热疲劳所必备的两个要素，外部约束所指的是限制材料的自由膨胀，内部约束所指的是形成温度梯度，以使得材料发生膨胀，然而因为约束进而形成热应变和热应力，通过相应的循环次数以后，造成裂纹的产生、扩展。

（2）腐蚀疲劳

化工设施又或是海洋环境里面大量的金属材料组件均工作于腐蚀的环境里面，并且还肩负着交变载荷所产生的作用，与普通环境所肩负的交变载荷的状况对比而言，交变载荷和侵蚀性环境的共同影响同样会削弱组件的疲劳性能，从而导致破坏和开裂。

（3）机械疲劳

机械疲劳所指的是机械部件在只具备外加应力又或是应变波动的状况之下，虽然所承担的应力远低于原料的屈服点，然而在长期运作之后形成裂纹又或是突然出现断裂。在循环应力水平相对较低的时候，弹性应变发挥着主导性的作用，这个时候的疲劳寿命相对较久，即高周疲劳，又被称之为应力疲劳；在循环应力水平相对较高的时候，塑性应发挥着主导性的作用，这个时候的疲劳寿命相对较短，即低周疲劳，又被称之为塑性疲劳。

3 铝合金疲劳性能的影响因素分析

3.1 孔洞的影响

在浇铸环节，必然会引起氧化物夹杂、孔洞等其它的铸造缺陷，孔洞主要有气孔与缩孔两种，缩孔是在浇注环节补缩不完全以及金属液体流通不足所造成的，展示为不规则的三维架构，气孔大多是由氢气在固液金属里面溶解度不一样无法即时排出所造成的，展示为光滑的半球形状。因为缩孔外形的不规则，对于疲劳寿命有着非常大的影响。此两类孔洞和氧化膜的产生均有着非常大的关联。在外应力存在的环境状况下，上述缺陷（氧化物、气孔等等）发挥着缺口的作用，便会在附近产生应力集中，转变成疲劳裂纹萌生的来源，在一定程度上减少了疲劳裂纹产生所需要的时间。孔洞对于铝合金的疲劳特性有着显著的影响，包含疲劳裂纹产生、扩展等所有的过程。孔洞在疲劳环节所起到的作用同样与本身布局特征有着较大的关联，此特征涵盖体积分数、孔洞尺寸以及布局位置等等。

3.2 海洋大气腐蚀的影响

铝合金在运用环节极易出现局部腐蚀，更有甚者会造成结构失效。尤其是在较为苛刻的大气环境之中，例如：海洋大气，海洋性大气里面所包含的硝酸根离子、氯离子以及硫酸根离子等等均会损坏铝合金外表所产生的保护膜，进而出现非常严重的局部腐蚀，例如：点蚀，对其外观与运用时间均有着非常大的影响。

3.3 加载路径的影响

不一样的加载路径形成不一样的断口形貌，椭圆形路径断口有着非常多的韧窝，正方形路径具备显著的台阶状特点，矩形和圆形路径下断口存在着显著的碳化区，能够得知疲劳裂纹是由试件内部的夹杂物处所形成的。

不一样的加载路径有着不一样的断口位错架构，位错的密度愈高，抵御形变的能力也就愈强，其疲劳寿命就会更加之短。椭圆形路径位错线布局相对杂乱，正方形路径产生交叉滑移带，矩形路径初期产生交叉滑移带，位错密度由大至小依次是：圆形、正方形、矩形以及椭圆形等，疲劳寿命的改变规律与之完全相反。

3.4 表面加工状态和温度的影响

在试件又或是部件的机加工环节，其外表会出现塑性形变，形成残余应力，进而对其疲劳强度产生影响。残余压应力能够在缺口位置处聚集，可以有效的削弱缺口根处的拉应力峰值，增强疲劳强度。除此之外，由于材料外表通过加工以后，表面缺陷往往会转变成较为尖锐的缺口，应力在缺口位置处聚集造成外表滑移带的开裂，在载荷下滑移带加宽至相应程度之时，因为位错塞积与交割的影响，就会在驻留滑移带处产生微裂纹。

温度是对铝合金疲劳性能产生影响的另一重要的要素。有关研究表明，伴随温度的不断增加，完全相同的循環应力所相应的塑性应变有较为显著的提升，进而加速了疲劳裂纹的产生进程，造成铝合金的疲劳寿命有大幅度的减少。在高温环境之下，部分合金再结晶的出现以使组织形成较为粗大的晶粒，对其疲劳强度产生影响。

4 结语

总而言之，孔洞尺寸、海洋大气腐蚀、加载路径以及表面加工状态与温度等都会对铝合金的疲劳裂纹产生非常大的影响。除此之外，当前与铝合金疲劳相关的分析大都聚集于单轴拉压状态的某一、两个应力又或是应变幅值之下，疲劳数据的累积并不完善，同时与多轴拉扭疲劳相关的研究相对较少，然而在现实工况之中，磁浮列车、汽车的核心组件往往处在多轴受力环境下，其疲劳行为和单轴加载完全不同，需要更加深入的研究。

参考文献：

[1]刘敬伟，毛红奎，徐宏.ZL114A铝合金疲劳性能影响因素概述[J].铸造技术，2014（02）.

[2]张涛，何国球，莫德峰.铸造铝合金疲劳性能影响因素的研究[J].化学工程与装备，2010（12）.endprint