7050高强铝合金断裂韧度K IC值试验结果有效性影响因素分析

余东梅，彭年秀，张银祥

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

7050铝合金因具有强度高、韧性好、易于加工、较好的耐腐蚀性能等特点广泛应用于航空航天、兵器装备等特殊行业。其力学性能测试数据是装备设计的重要参数，因此材料力学性能测试数据的可靠性就显得尤其重要[1]。

金属结构最危险、最不可预料的事故是结构的低应力脆性断裂。任何脆性指标（如冲击韧性、缺口韧性）都不足以反映结构材料抵抗低应力脆性破坏的能力，而断裂韧度测试技术的发展解决了韧性指标和安全使用之间的矛盾。目前断裂韧度已广泛应用于评价各种材料的韧性水平，为安全设计和无损检验提供了科学依据。

应力强度因子KI表示在张开型（I型）拉应力作用下裂纹尖端应力场的强弱程度，是与应力和裂纹长度都有关的一个复合力学参量。当KI增大达到临界值时，裂纹失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳状态的KI值即为KIC值。KIC为平面应变下的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，是评定材料阻止裂纹扩展的韧性指标。

根据GB/T 4161和ASTME399标准要求，只有当断裂韧度的测试结果满足所有的判定条件时，才能获得有效的断裂韧度KIC值[2-3]。但在生产检测中，往往因材料厚度受限、试样方向不合适或材料本身带有残余应力（即带残余应力的试样在预制疲劳裂纹时表面裂纹无法扩展或出现不规则的疲劳裂纹增长（裂纹前缘曲率过大））等，导致不能获得有效的断裂韧度KIC值[4]。故本文采用7050锻件和厚板紧凑拉伸试样（CT）进行了平面应变断裂韧度KIC值测定，以探讨这三个因素对断裂韧度KIC值测试结果的影响，旨在指导断裂韧度测试试样的加工，为材料的断裂韧度检测提供有效或有意义的KIC检测数据，在满足生产和工艺研究需求的同时也有助于完善相应材料的试验参数[5]。

1 试验方法

对紧凑拉伸C（T）试样先预制满足条件的疲劳裂纹，然后由拉伸加载时测试软件自动记录负荷及试样边缘两侧张开位移曲线，根据记录曲线线性部分规定的偏置2.0%裂纹扩展量来确定对应的载荷，最后通过计算得到相应的断裂韧度KIC值。

本文测试采用HFP5100高频疲劳试验机，并配备引伸计EXR5-1X和K1C测试软件testXpert。

试验所用材料为7050-T7451合金厚板及7050-T7452或T74锻件，即100 mm、90 mm、70 mm、55 mm等不同规格的厚板及不同热处理状态下的锻件。所用试样均为C（T）紧凑拉伸试样，见图1。

图1 紧凑拉伸试样

1.1 试样尺寸的初步确定

试件厚度B与材料的临界应力强度因子KIC和屈服强度Rp0.2有关。只有当试件尺寸满足平面应变和小范围屈服的力学条件时，才能获得稳定的KIC值。根据紧凑拉伸法规范对样品尺寸的要求，确定试件的厚度应满足两个条件：

式中：B为试样厚度；W为试样宽度；a为裂纹长度，包括机械切口，取值在0.45～0.55 W之间；W-a为试样韧带尺寸。

预先估计较高的KIC值来确定试样的尺寸，在试验测得有效的KIC结果后，对试样的尺寸进行最终的确定。

试样所用规格、热处理状态及所加工尺寸、试样方向、缺口形状见表1。试样加工先粗加工，然后进行精加工，精加工时机械切口可以采用铣、线切割、机加工等方式，以保证加工的精度。机械切口的尖端越尖越好且应当对称，以提高切口尖端的应力集中程度，有利于疲劳裂纹的预置。

表1 7050合金不同规格、状态、不同加工厚度、试样方向及缺口形状

1.2 疲劳裂纹的预制及试验速度

预制疲劳裂纹的目的是消除机械切口末端由于机械加工引起的残余应力，使裂纹塑性区尺寸减至最小，并制造一条尖锐锋利的裂纹尖端。预制的疲劳裂纹应保证在试样的厚度方向上均匀分布，并且在预期的裂纹扩展面两侧对称分布。施加的应力应保证裂纹前缘均匀向前扩展，且裂纹不偏离预期的扩展方向。

预制疲劳裂纹时的循环载荷采用正弦波加载。应力比（R）为0.1。预制疲劳裂纹开始时的最大应力强度因子Kfmax不允许超过材料KQ值的80%，在预制到裂纹总长度最后的2.5%的距离内时最大应力强度因子Kfmax不能超过KQ值的60%。预制疲劳裂纹时的总循环周次在104～106之间。裂纹总长度（切口长度加预裂纹长度）为0.45～0.55 W之间。

确定断裂韧度KIC值的应力强度因子速率为0.55 MPa·m1/2/s。

2 试验结果与分析

2.1 试样厚度对试验结果的影响

选取批号为YC200678、规格70 mm、屈服强度RP0.2为455 MPa的7050-T7451预拉伸厚板进行测试，将其加工成不同厚度的L-T方向试样。不同厚度试样的断裂韧度试验结果见表2。

表2 YC200678批次不同厚度试样的断裂韧度测试结果

从表2数据分析可知：当试样厚度为20 mm和25.4 mm时，不能获得有效的KIC值，随着试样厚度的增加，断裂韧度值逐渐减小；当试样厚度为30～50.8 mm时断裂韧度结果平均值比较接近且趋于稳定。

为进一步分析试样厚度对断裂韧度结果的影响，对7050不同规格的材料的KIC进行了检测，检测结果见表3。

表3 7050不同规格的KIC测试结果

从表3分析结果可进一步确定：材料的断裂韧度测试结果与试样的厚度有密切的关系，只有当厚度满足一定条件时，才能获有效的KIC值。

相关资料表明，当试样厚度B/（KIC/RP0.2）2≤0.2时试样处于平面应力状态，而在0.2＜B/（KIC/RP0.2）2≤2.5时则处于过渡区状态[6]。根据断裂力学理论，当试样处于过渡区状态时KQ值随试样厚度的增加而降低，当试样厚度增大至平面应变状态时，KQ值趋于稳定并相当接近KIC（见图2）。其原因是平面应力状态下，裂纹顶端的塑性区要比平面应变状态下大很多，裂纹失稳扩展时要消耗更多的塑性变形功，所以平面应力状态下的断裂韧度比平面应变状态下高；若厚度介于二者之间，则试样表面处于平面应力状态下，内部处于平面应变状态，断裂韧度值也介于二者之间。

图2 厚度对断裂韧度和断裂形态的影响

因此，要想获得材料有效的或有意义的KIC值，必须有对试样的厚度有一个最低的要求。为了保证检测结果有效，应根据材料的屈服强度和预先估计的KIC值对试样厚度进行预估，当获得材料的真实的KIC值时，可以采用较小试样厚度，以提高试样加工和检测进度。

2.2 试样方向对试验结果的影响

7050合金不同规格厚板加工成同一试样尺寸、不同试样方向后的断裂韧度KIC值见表4。

表4 7050合金不同规格、不同试样方向下的K IC值

从表4可知：不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 mm）试样时，L-T方向的偏差较明显，而T-L的方向比较接近；试样厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

试样的试样方向对试验结果有较大的影响。因为预置裂纹开始出现与样品的加工精度有关，在预制疲劳裂纹长度时试样切口上下部分发生弹性变形，应力主要集中在机械切口尖端部分。在弹性变形区某点的弹性变形与机械切口的距离不成正比，距开口处越近，其弹性变形越大，应力越集中。由于试样内部晶粒分布不一致，裂纹沿试样不同方向上扩展速度不相同，测得的断裂韧度KIC值也存在差异。通过自动记录负荷及试样边缘缺口两侧张开位移曲线即P-V曲线（见图3），对记录曲线上线性部分规定的偏置2%来确定材料的断裂韧度KIC值。

图3 7050合金P-V曲线

研究表明，同一厚度上合金的各向异性与第二相分布的各向异性有关。7050铝合金厚板中残留有大量的第二相，主要是未溶的Al2CuMg相及含Fe、Si元素的脆性相，这些相以链（串）状形式沿轧制方向分布。这些相会造成合金局部塑性变形能力降低，使得裂纹更容易扩展，从而减低了板材的断裂韧性，同时造成了断裂韧性的各向异性。当裂纹扩展方向与第二相粒子排列方向一致时（TL方向、SL方向），裂纹容易沿第二相连续扩展，导致该方向的断裂韧性较低；当裂纹扩展方向垂直第二相粒子排列方向时（LT方向），裂纹扩展遇到的阻力较大，断裂韧性有所提高。所以第二相粒子在板材中的分布特征会引起7050铝合金板材断裂韧性各向异性。

对于大规格厚板，厚度越大，其厚度心部变形越不均匀，组织均匀性越差，导致了L-T方向断裂韧性出现较大波动。

由此，结合上述测试结果我们得到一个结论：对于高规格材料，取样尺寸不能太小，虽然得到的结果是KIC值，但偏差较大，有可能不能全面反映材料特性。因此，在能够满足要求的前提下，对高规格材料，在设备允许的情况下可以尽量取大厚度，以减小试样方向对试验结果的影响。

2.3 试样残余应力对试验结果的影响

试样的厚度已经满足获得材料有效的或有意义的KIC值的要求，但仍不能获得有效的或有意义的KIC值。锻件检测结果见表5。

表5 锻件K1C检测结果

从表5数据可知：当材料的热处理状态为T74时，获得有效KIC值的概率不大，而当热处理状态为T7452时，能真实反映材料断裂韧度结果。其根本原因在于：T74状态时，锻件没有经过预压消除材料内部存在的残余应力。当残余应力存在时，会造成在试样的机加工过程中残余应力再分配引起试样变形及弯矩；并且残余应力会叠加在试样所施加的外力上，使试样切口处的应力分布不均匀，出现裂纹尖端应力集中，引起疲劳裂纹增长要么裂纹前沿曲率过大，要么裂纹不在平面增长，使所得的KIC或KQ结果增加。残余应力也会造成P-V曲线上最初弹性部分的直线变成非线性，使测试结果因残余应力的存在而偏离，不能真实反映材料的断裂韧度值。

为了摸索出有效的检测方法，将残余应力对断裂韧度结果的影响减少至最小，查阅相关资料后[5]，我们设计了一种或多种方式来测定材料的断裂韧度值，测试结果见表6。

表6 锻件7050T74不同方式下的K1C值

备注：根据ASTME399规定：

（1）试样两侧表面处裂纹长度与平均裂纹长度之差都不超过平均裂纹长度的15%。

（2）P max/PQ≤1.1（F max/FQ≤1.1）

（3）韧带尺寸W-a≥2.5（KQ/RP0.2）2

从表6分析可知：当屈服强度在450 MPa左右时，改变缺口形状，将直通形缺口变为山形缺口，可以获得有效的KIC值；而当屈服强度较低时，加大试验应力比，可以改变裂纹前沿曲率过大或者裂纹不在平面增长的现象而获得的KQ值，该KQ值可以用来评估在无残余应力试样中获得的平面应变断裂韧度KIC，指导生产工艺。这种针对7050-T74锻件因残余应力的存在无法获得有效的KIC而采取的检测方式，已用于生产检测，在指导生产的同时满足了检测的需要。

3 结论

（1）材料的断裂韧度测试结果与试样的厚度大小有密切的关系，要想获得材料有效的或有意义的KIC值，必须有对试样的厚度有一个最低的要求，增大试样厚度是获得KIC值的有效方法。但通常在保证检测结果有效的情况下，应采用较小试样厚度，提高试样加工和检测进度。

（2）试样方向对试验结果的影响较大，不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 m）试样时，LT方向的偏差较明显，而T-L的方向比较接近；试样厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

（3）7050-T74锻件因残余应力的存在而无法获得有效的KIC值，应采取不同的检测方式：当屈服强度在450 MPa左右时采用山形缺口，可以获得有效的KIC值；而当屈服强度较低时，增大预制疲劳裂纹时的应力比，降低残余应力对断裂韧度值的影响，获得的KQ值可以用来评估在无残余应力试样中获得的平面应变断裂韧度KIC，指导生产工艺。

通过对生产中常出现的断裂韧度试验结果影响因素的分析与总结，不仅可以指导生产，使检测工作更快捷准确，而且有助于完善相应材料的试验参数，正确评判或应用试验结果。