7N01铝合金材料疲劳失效分析及防护措施

1、7N01铝合金材料疲劳失效分析及防护措施摘要：以A7N01-T5铝合金为研究对象进行疲劳试验，并对断后试样进行断口扫描，从微观分析疲劳裂纹的形成机理，分析疲劳断口疲劳源区特征，最终得出裂纹的形成有三种机理，即外表滑移带开裂、固体夹杂物和加工缺陷引起的应力集中，从材料质量、设计和工艺三方面进行研究，提出铝合金材料防护措施，提高材料疲劳性能的方法，延长疲劳裂纹的起始寿命。关键词：铝合金；疲劳失效；裂纹；防护中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j ki.1672-3198.2021.08.0981序言在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度，在该应力下材料既不会发生塑

2、性变形，更不会发生断裂，但是在应力重复作用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料有可能发生断裂。自19世纪德国工程师Whler为解决火车轴断裂问题，在控制载荷的条件下测定第一条疲劳寿命曲线S-N曲线以来，对材料和结构件的疲劳研究已有160多年的历史。材料时效包括疲劳失效，仍是造成重大经济损失的一个原因，其中疲劳失效占总数的80%以上。1983年美国商务部和国家标准局完成研究报告说明，每年由于材料失效而造成的经济损失，按1982年美元值计算，到达1190亿美元，约占美国国内生产总值的4%。研究认为更好的应用现有技术进行材料防护可以消除约1/3的经济损失，所以良好的防护措施可延长材料和结构的疲劳寿命

3、。本文主要对A7N01-T5状态铝合金进行疲劳试验，并对各疲劳断口进行分析，分析疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区宏观特征和微观特征，判断疲劳失效原因，进而针对疲劳失效原因提出相应的防护措施，提高铝合金材料的疲劳极限，延长结构件的使用寿命。2实验材料及方法疲劳试验所用材料为国内某铝业公司提供的A7N01板材，试样尺寸为300mm×25mm×8mm，其化学成分如表1所示，试样数量为15个，进行线切割后用2000目砂纸进行打磨，疲劳试样如图1所示。试验按照GB/T3075-2021?金属材料疲劳试验轴向力控制方法?进行，应力比取R=0，载荷类型为轴向正弦波，规定试验次数为107次，试

4、验频率为40Hz，试验在室温大气下进行，按照升降法进行试验，试验装置为MTS810kN疲劳试验机，疲劳断裂试样如图1所示。3断口扫描分析为进一步了解材料的疲劳性能，佐证疲劳试验数据的合理性，对疲劳试验后试样进行断口扫描，分析宏观和微观疲劳断口特征，确定试样的破坏原因。通过宏观分析观察断口形貌，初步了解断裂过程，再通过微观分析揭示疲劳源区、裂纹扩展区以及瞬断区的特征。为疲劳防护措施的提出提供依据。按照断口扫描分析可将试样疲劳断裂原因分为三类，即外表滑移带开裂，固体夹杂物和加工缺陷引起的应力集中。从宏观和微观上观察疲劳断口，比较断口异同并分析疲劳损伤过程。3.1外表滑移带开裂由疲劳断裂试样宏观图可

5、以看出，疲劳断口分为三个区域：疲劳源区、扩展区和裂纹瞬断区。疲劳源区为图中标注所示位置，其在宏观试样上表现为一个点，占断面尺寸很小；扩展区约占断面尺寸的1/5，呈平行状花纹，比较平坦，与主应力方向垂直；疲劳瞬断区相对较暗，宏观形貌较为粗糙，边缘呈剪切唇形貌。由疲劳断裂试样的微观图可得，裂纹源起源于试样拐角应力集中处，有明显的挤压痕迹，即塑性条带滑移导致应力集中，最终导致试样疲劳源区萌生，进而经历裂纹扩展阶段最终使得试样断裂。3.2固体夹杂物上图固体夹杂物疲劳断口宏观图疲劳源区位于试样的现行段加工侧，扩展区占试样截面积的1/2，其他断口宏观形貌与塑性条带滑移断口宏观形貌一致。从断口微观形貌可以明

6、显看出疲劳源区含有固体夹杂，经能谱分析，杂质相为富铁硬脆相，在循环载荷的作用下，杂质相与基体别离，致使应力集中，而后裂纹进一步扩大，导致试样断裂。3.3加工缺陷由上图可知，疲劳断口分为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三个区域。疲劳源区表现为一个“点，扩展区占试样断面的1/3，其他特征与塑性条带滑移宏观断口形貌一致。从宏观上看，裂纹源起源于试样外表现行段加工侧，试样外表有微小的纵向划痕砂纸打磨划痕，在循环应力的作用下导致应力集中，诱发裂纹的形成。4防护措施绝大多数机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是在交变应力下工作的，在变应力作用下经过长时间工作而发生失效形式即为疲劳断裂，合理的预防措施可以大大减少零件的

7、疲劳失效，减少经济损失。针对材料疲劳破坏产生原因，可将预防材料疲劳失效形式分为两类，第一类是从材料本身考虑，第二类是从后续设计及加工考虑。主要预防措施由以下几种。4.1材料本身1使材料组织性能均匀，并在金属材料中参加相应合金元素，使材料晶界强化，并在此根底上细化晶粒，阻碍微裂纹长大和连接作用，提高材料的疲劳强度，并大大延长材料的使用寿命；2提高金属材料的质量，减少材料表层及内部缺陷。如杂质、气孔及微裂纹也可提高材料的疲劳寿命，减少失效。4.2设计方面合理改善零件结构，减少应力集中。如采用圆角过渡等，适当加大轴肩圆角半径，降低危险部位的应力峰值，提高零部件疲劳寿命。4.3工艺方面1减少外表加工质

8、量缺陷，如外表粗糙度过大、外表刀痕、磨削裂纹和划伤等。减少应力集中，减少裂纹萌生概率；2采用相应的热处理工艺提高材料外表质量，如渗碳、渗氮和外表精细打磨等减少应力集中的方法，提高材料的疲劳寿命。5结论从疲劳试验及断口扫描结果可以得出：1疲劳裂纹可以分为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三局部，其中疲劳源区域面积很小，疲劳扩展区面积视载荷类型、载荷大小而定，疲劳瞬断区所占面积最大，随着裂纹扩展，剩余有效面积缺乏以抵抗施加应力载荷而导致试样断裂；2疲劳裂纹的疲劳源产生原因主要有外表滑移带开裂、固体夹杂物和加工缺陷三个方面；3疲劳失效预防措施可从材料本身、设计和工艺三个方面进行防护，减少应力集中，减少裂纹萌生的概率，进而提高材料疲劳寿命。参考文献【1】刘义伦.工程构件疲劳寿命预测理论与方法M.长沙：湖南科学出版社，1997：1-10.【2】徐灏.疲劳强度M.北京：高等教育出版社，1988：1-9.【3】吴富民.结构疲劳强度M.西安：西北工业大学出版社，1985：1-104.【4】程育仁.疲劳强度M.北京：中国铁道出版社，1990：5-18.【5】邓少奎.2E12高强耐疲劳铝合金轧制工艺和疲劳性能研究D.秦皇岛：燕山大学，2021：1-6.【6】刘静安，谢