多次冲击载荷作用下典型铝合金材料动态响应规律

郭玉佩， 王彬文， 刘小川， 白春玉， 杨 强

(中国飞机强度研究所， 结构冲击动力学航空科技重点实验室， 西安 710065)

飞机在着陆/着舰状态下，其起降装置及机体连接区域结构遭受直接或间接的多次冲击载荷作用，材料在多次冲击载荷作用下动力学特性是工程应用和学术研究密切关注的焦点问题。7075-T7351铝合金是一种冷处理锻压合金，具有较好的强度、断裂韧度和抗腐蚀特性，广泛应用于飞机结构中。现以该材料为研究对象，利用落锤冲击试验机，进行了7075-T7351多次冲击试验，研究了冲击能量、冲击次数、缺口对材料冲击性能的影响以及材料在多次冲击下的变形规律。

多次冲击试验是获得金属材料多次冲击性能以及分析其失效机理的主要研究手段[1]。程巨强等[2]发现Cr-Si-Mn-Mo系新型贝氏体钢中的残余奥氏体延缓多次冲击载荷下的裂纹扩展；余钊辉等[3]发现表面氮化处理可以提升高能量冲击下38CrMoAlA钢的多次冲击裂纹萌生寿命，但在低能量下效果不明显；何柏林等[4]通过试验未溶铁素体含量为10%左右时42CrMo钢的裂纹萌生寿命和断裂寿命最高；李会会等[5]发现提高冲击能量和温度均会降低WC-Co硬质合金的多次冲击寿命；张倩茹[6]通过分析冲击压缩试验结果获得了纯铁、45钢形变量与冲击次数、应力、冲击频率的关系；徐梅[7]根据试验结果提出了1Cr18Ni9Ti蠕变应变率与冲击次数、层深、应力的关系式；郁佳莉[8]通过紫铜的低应力多次冲击试验发现其存在循环硬化和循环软化现象；李四超等[9]以冲击能量作为尺寸缩放依据，采用摆锤试验，通过分析试验结果推知舵板的多次冲击寿命；杨东方等[10]提出了腐蚀冲击疲劳的概念并进行了试验，发现盐水对300M材料的裂纹扩展寿命有重要影响；陈鼎等[11]通过分析断口发现WC-Co合金中在多次冲击下裂纹萌生于缺陷处；张萌[12]研究发现小能多次冲击过程中沿晶裂纹最容易产生，另外还引入了Paris公式分析多次冲击裂纹扩展。

以上的研究材料普遍为纯铁、钢、硬质合金等，在研究不同加载条件对多次冲击性能影响时采用的加载方式多为冲击压缩，而7075-T7351铝合金三点弯的多次冲击研究较少。

1 试验

1.1 试验件

参考《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229—2007)设计3种试验件，试验件厚度为10 mm，长度、宽度及缺口尺寸如图1所示，材料为7075-T7351，其化学成分和力学性能如表1、表2所示。试验包括无缺口试样单次冲击、无缺口试样多次冲击和缺口试样多次冲击，试验矩阵如表3所示。

R为半径图1 3种冲击试样Fig.1 Three kinds of impact specimens

表1 7075铝合金化学成分

表2 7075-T7351力学性能

表3 冲击试验矩阵

1.2 试验装置及方法

采用INSTRON 9350试验机进行试验，试验机、夹具及试验方法如图2所示。试验机冲击能量范围为0.59～1 800 J，冲击速度范围为0.77～24 m/s。试样支撑方式为两端简支，跨距为40 mm，使用两种质量的落锤，分别为2.489 kg、4.989 kg，记为冲锤1和冲锤2。在试验件侧面中心部位粘贴应变片，方向与试验件长度方向保持一致，如图2所示。试验中采用动态应变仪测量试验件动态应变响应。试验开始后锤体下落冲击试样，锤头上的传感器测量冲击过程中的载荷，动态应变仪测量试样的应变；冲击完成后试样归位，试验机提锤，进行下一次冲击。

图2 落锤冲击试验机、夹具及试验方法示意图Fig.2 Schematic diagrams of drop hammer impact testing machine, fixture and test method

2 试验结果与分析

2.1 准静态试验结果

试样0-1～试样0-3在准静态加载下载荷-位移曲线如图3所示，图3中无缺口试样加载至1.5 mm，U形、V形缺口试样加载至断裂。由载荷-位移曲线可知，无缺口试样承载能力明显优于缺口试样，两种缺口试样的曲线较为接近，但由于V形缺口试样应力集中系数较大，其断裂早于U形缺口试样。

图3 准静态载荷-时间曲线Fig.3 Load-displacement curve under quasi-static condition

2.2 冲击能量的影响

选择试样1-1～试样1-7研究在单次冲击加载下冲击能量对材料动态性能的影响。试样对称轴(即与冲锤接触区域)截面的挠度变化反映了试样的整体变形，如图4所示，冲击一次产生的变形增量包含弹性变形和塑性变形两部分，即

图4 试样的变形增量Fig.4 Deformation increment

Δw=Δwe+Δwp

(1)

式(1)中：Δw为总变形增量；Δwe为弹性变形增量；Δwp为塑性变形增量。

定义吸收功效率为试样吸收的能量/冲击能量×100%，在不考虑能量损失的情况下，单次冲击完成后试样的弹性变形恢复，塑性变形保留，吸收的能量全部用于塑性变形，则吸收功效率的表达式为

(2)

式(2)中：η为吸收功效率；Ep为试样塑性变形吸收的能量；E0为冲击能量。则有

(3)

式(3)中：

(4)

式中：q为弹性功与塑性功的比值；F为冲锤载荷；we为弹性变形造成的位移；wp为塑性变形造成的位移；F、we、wp均为时间t的函数。

因此在一次冲击中，冲击能量越大，试样产生的塑性变形越大，q越小，吸收功效率越高。

单次冲击过程的载荷随时间的变化如图5所示，可以看出随着冲击能量的提高，试样承受的载荷逐渐增大。由图6可以看出，在冲击次数相同时，峰值载荷随冲击能量增大而增大，22 J相比6 J峰值载荷增加了35.47%；吸收功效率随冲击能量增大而升高，这与理论分析相符，6 J时吸收功效率为74.00%，22 J时增加至88.77%；冲锤的最大位移反映了试样在一次冲击中的最大弯曲变形，由表4可知，随着冲击能量的提高，变形逐渐增大。

表4 单次冲击峰值载荷、吸收功效率的变化

图5 单次冲击载荷-时间曲线Fig.5 Single impact load-time curve

图6 单次冲击的试验结果Fig.6 Test results of single impact

2.3 冲击次数的影响

选取试样2-1、2-2、2-3、2-4分别进行不同冲击能量下多次冲击试验进行冲击次数对材料特性的影响研究。如表5、图7所示，冲击次数对7075-T7351的冲击响应有重要影响。冲击能量相同时，试样在多次冲击中硬化现象明显，峰值载荷增大，8 J冲击能量下第11次冲击峰值载荷比第1次增加了20.16%；吸收功效率随冲击次数增加而减小，8 J第1次冲击吸收功效率为76.55%，第11次冲击时为68.86%。

表5 不同冲击能量下多次冲击试验结果

图7 多次冲击的试验结果Fig.7 Test results of repeated-impact

多次冲击中试样对冲击能量的吸收效率随冲击次数的增加呈现下降趋势，反映出在多次冲击过程中塑性变形越来越小；较高的冲击能量下具有较高的能量吸收效率，即冲击能量越高产生的塑性变形越大，这与单次冲击的结论一致。

采用应变片测量试样的塑性应变，应变测量结果如图8所示，冲击过程中试样发生弹塑性变形，应变达到峰值，随后弹性变形恢复，应变值减小，塑性变形保留，应变数值趋于稳定，最终的读数即为应变片粘贴区域的塑性应变值，随着冲击次数的增加，试样的塑性应变呈现上升趋势，但上升的速度越来越慢，反映出单次冲击造成的塑性应变增量越来越小，原因是塑性变形使材料发生了冲击硬化，塑性应变增量如表6所示，当冲击能量为10 J时，第5次冲击引起的塑性应变增量仅为第1次塑性应变增量的43.77%；当冲击能量为8 J时，第12次冲击引起的塑性应变增量仅为第1次塑性应变增量的7.20%。无论是单次冲击还是多次冲击，无缺口试样的变形形式均为弯曲，具体表现为试样上半部分受压缩，下半部分受拉伸，如图9所示。

图8 多次冲击下试样的塑性应变Fig.8 Plastic strain of specimen underrepeated-impact

表6 试样塑性应变数据

图9 变形后的无缺口试样Fig.9 Deformed notch less specimens

2.4 缺口试样多次冲击

如图10所示，缺口试样在多次冲击过程中仍然具有类似无缺口试样的特点：硬化现象、吸收功效率降低等，缺口试样断裂时沿45°最大剪应力方向断裂，如图11所示；试样在每次冲击结束后不会产生明显的弯曲变形，相同能量下不同冲击次数的缺口试样并没有肉眼可见的差别，即使到试样断裂前一次冲击也是如此，这区别于无缺口试样。U形、V形缺口试样在不同能量下的冲击至断裂次数如表7所示，可以看出对于同种试样，能量越大冲断所需的次数越少。在特定的能量区间，试样断裂所需冲击次数对能量变化敏感，如对于U(V)形缺口试样，4.3 J(3.0 J)时需要1次冲击断裂，而3.3 J(2.0 J)冲击25次试样仍未断裂，冲击能量与冲击次数呈现非线性关系，当冲击能量小于某一数值时(U形缺口为3.3 J，V形缺口为2 J)，冲断次数会大大增加；另外，U形缺口试样的承载能力明显优于V形缺口试样，相同冲断次数时U形缺口试样的冲击能量比V型缺口试样高1.3 J左右。可以看出冲击能量对缺口试样断裂所需冲击次数有较大影响。

图10 缺口试样试验结果Fig.10 The results of notch impact specimen

图11 断裂的缺口试样Fig.11 Fractured notched specimen

表7 两种缺口试样断裂所需的冲击次数

2.5 断口分析

使用扫描电镜对试样的断口进行观察，发现不同冲击次数、不同缺口的试样断口呈现相似的微观形貌，断口特征是多裂纹源沿晶界起裂，宏观断口呈现3个区：纤维区、放射区和剪切区。剪切区较小，各区微观呈现准解理与极细韧窝混合型断裂，具体如图12所示，试样的起裂位置为缺口的中间区域，存在多个较为明显的裂纹源，晶粒横断，形成大台阶，面内晶粒剪切形成小台阶。纤维区准解理与面内极细韧窝混合型断裂，区内可见二相粒子及二相粒子的相界开裂纹，也可见晶粒横断，形成裂纹扩展方向线。断口两个面的接合处仍是准解理与面内极细韧窝混合型断裂。放射区极细韧窝与准解理混合型断裂，晶粒被剪断，形成大量剪切台阶，形成放射线。剪切唇区准解理与极细韧窝混合型断裂。

3 结论

进行7075-T7351铝合金多次冲击试验，研究了冲击能量、冲击次数、以及缺口对材料冲击响应的影响，可得到以下结论。

(1)冲击能量对冲击性能有重要影响，峰值载荷、吸收功效率随冲击能量的增大而增大。

(2)冲击次数对材料冲击性能的影响表现为材料的硬化现象，冲击峰值载荷逐渐增加，吸收功效率降低，每次冲击产生的塑性应变增量逐渐减小。

(3)缺口的引入对于试样的抗冲击能力有明显影响，不同形状的缺口对试样的抗冲击能力的影响也不同，U形缺口试样的抗冲击能力优于V形缺口试样。

(4)有限次数以及较为接近的冲击能量多次冲击下，7075-T7351微观断口呈现准解理与极细韧窝混合型断裂，冲击次数和冲击能量对断口影响不明显。