鋁合金疲勞性能的研究進展
Research Progress on Fatigue Property of Aluminum Alloy
供稿|吳私, 王 旭, 周吉學, 劉運騰, 李衛紅, 張國福, 唐守秋
/ WU Si, WANG Xu, ZHOUJi-xue,LIU Yun-teng, LI Wei-hong, ZHANG Guo-fu, TANG Shou-qiu
內容導讀
本文對鋁合金疲勞性能的研究進展進行了全面綜述，介紹了疲勞裂紋萌生、擴展與失穩階段各自的機理及對鋁合金構件的影響，以及對疲勞裂紋的影響因素和疲勞壽命的估算方法，最後指出今後鋁合金疲勞行為的微觀機制、提升疲勞性能的方法及疲勞壽命的準確預測等研究方向。
鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，其密度低，比強度高，同時具備優良的導熱性、耐蝕性、焊接及加工等性能，隨著應用在鋁合金上的熱處理工藝及微合金化技術的不斷改進，其力學性能被大幅度強化，綜合性能也得到了全面提升，在機械工程、交通運輸、化學工業及航空航天等領域大量應用[1]。但存在另一負面現象引人關注，鋁合金設備有時會出現難以檢測和預防的疲勞斷裂，之前觀察不到明顯的塑性變形，而且這一現象在各個領域都屢見不鮮，這種突然斷裂的失效形式往往造成災難性的事故，嚴重威脅人的生命和財產。這種危險的斷裂形式由材料的疲勞引起，材料經過交變應力和應變的長期作用，表面或內部會產生微觀裂紋，累積損傷使裂紋達到臨界尺寸後，構件在無法承受某一次應力時突然斷裂，稱這一過程為疲勞。由於疲勞破壞是鋁合金設備失效的主要原因之一，又容易給工程帶來難以預料的危險，造成重大事故，所以對鋁合金疲勞特性的研究具有重要意義。
疲勞的分類
疲勞破壞是循環應力、應變引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往往低於材料的抗拉強度σb，甚至低於其屈服強度σs，一般不發生明顯的塑性變形，呈現脆性的突然斷裂，是一種非常危險的失效形式，難以檢測和預防。鋁合金疲勞破壞屬於金屬疲勞，按破壞原因大致分為熱疲勞、腐蝕疲勞和機械疲勞三類。
熱疲勞
熱疲勞是由於在循環熱應力和熱應變作用下產生的疲勞破壞。外部約束和內部約束是產生熱疲勞的兩個必要條件，外部約束即阻礙材料自由膨脹，內部約束即產生溫度梯度，使材料膨脹，但由於約束從而產生熱應力與熱應變，經過一定的循環次數，導致裂紋的萌生、擴展。張文孝等[2]研究了LD8鋁合金的同相和異相熱疲勞特性，應用彈塑性斷裂力學方法對不同狀態下熱疲勞壽命進行了探討。
腐蝕疲勞
化工設備或海洋環境中許多金屬材料構件都工作在腐蝕的環境中，同時還承受著交變載荷的作用，與正常環境中承受交變載荷的情況相比，交變載荷與侵蝕性環境的聯合作用往往會顯著降低構件疲勞性能，而產生開裂與破壞。
宮玉輝等[3]研究了不同腐蝕環境對7475-T7351鋁合金疲勞性能及裂紋擴展速率的影響，發現腐蝕環境對裂紋擴展有較明顯的加速作用，但不同環境腐蝕和不同溫度對材料的低周疲勞性能影響不大。王成等[4]將不同濃度矽酸鈉添加到鋁合金中，發現其可以抑制鋁合金的點蝕、減少裂紋源，提高鋁合金在氯化鈉溶液中抗點蝕的能力及腐蝕疲勞壽命，但對鋁合金的腐蝕疲勞裂紋的擴展無法抑制。
機械疲勞
機械疲勞是指機械零件在僅有外加應力或應變波動情況下，即使承受的應力低於材料的屈服點，但經過較長時間的工作後產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象。在循環應力水平較低時，彈性應變起主導作用，此時疲勞壽命較長，稱之為高周疲勞，也稱應力疲勞；在循環應力水平較高時，塑性應變起主導作用，此時疲勞壽命較短，稱之為低周疲勞，也稱塑性疲勞。李睿等[5]對2024-T3鋁合金孔板進行了高低周複合疲勞試驗，研究發現隨著高低周循環次數增大，複合疲勞壽命有顯著的降低，並建立了高低周循環次數和應力幅比與高低周複合疲勞壽命之間的關係式，但其只考慮了載荷循環次數對疲勞的影響，沒有全面綜合其他影響疲勞壽命的因素。
由於鋁合金設備多為機械疲勞破壞，本文著重探討合金機械疲勞。
疲勞破壞過程及機理
疲勞源即疲勞裂紋的萌生標誌鋁合金設備疲勞損傷過程的開始，疲勞源是材料微觀組織永久損傷的核心，裂紋萌生後，逐漸長大並與其他裂紋合併然後形成宏觀主裂紋，萌生階段結束；接下來進入了裂紋擴展階段，經過一段穩定擴展後，裂紋達到了一個臨界尺寸，隨著下一次應力、應變的作用，構件無法承受，裂紋突然失穩擴展，構件瞬間斷裂。用三個階段描述該過程：疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展和失穩斷裂階段。
裂紋萌生
疲勞裂紋往往由於應力集中首先起源於物體內部微觀組織結構的薄弱部位或高應力區，起始階段，裂紋長度大致在0.05~0.1mm以內或更小，被定義為疲勞裂紋核。隨著疲勞過程的進行，微觀裂紋便會發展成為宏觀裂紋。鋁合金材料疲勞裂紋萌生部位主要有滑移帶、晶界、相界面三種。
裂紋擴展
疲勞裂紋萌生階段結束，之後進入裂紋擴展的兩個階段，第一階段是沿主滑移系，以純剪切方式向內擴展，擴展速率極低，其延伸範圍在幾個晶粒長度之間，隨即疲勞裂紋擴展進入第二階段，在晶界的阻礙作用下，使擴展方向逐漸垂直於主應力即拉應力方向，並形成疲勞條紋或稱為疲勞輝紋，一條輝紋就是一次循環的結果。
第一階段的裂紋擴展速度慢，長度小，所以該階段的形貌特徵並不明顯。而第二階段的穿晶擴展，其擴展速率隨循環周次增加而增大，擴展程度也較為明顯，多數材料的第二階段可用電子顯微鏡觀察到疲勞條紋，有些甚至能用肉眼觀察到。不同材料的疲勞條紋各不相同，形貌也是種類繁多，有與裂紋擴展方向垂直略呈彎曲並相互平行的溝槽狀花樣，有斷口比較平滑而且分布有貝紋或海灘花樣，有時則呈現以源區為中心的放射線，疲勞條紋是疲勞斷口最有代表性的特徵。一般情況下，疲勞裂紋擴展區在整個斷口所佔面積較大。
疲勞裂紋擴展階段是材料整個疲勞壽命的主要組成部分。不同鋁合金材料裂紋擴展的兩個階段也有不同的壽命，在材料表面光滑試件中，第一階段的擴展時間佔整個疲勞壽命的絕大部分；而在有缺口的試件中，第一階段幾乎可以忽略，第二階段的傳播是整個疲勞裂紋擴展的壽命。
裂紋失穩
疲勞裂紋擴展到某臨界長度時，物體殘存截面不足以承抵外載荷，會在某一次加載下發生失穩擴展而導致迅速斷裂，這一階段是構件壽命的最後階段，失穩擴展到斷裂這一短暫過程對於構件壽命的貢獻是可以忽略的，裂紋最後失穩快速擴展所形成的斷口區域稱為瞬斷區，材料性質不同，斷口相貌也截然不同。
疲勞壽命
疲勞裂紋的影響因素
◆ 材料內因
合金成分不同，疲勞特性也不盡相同，成分決定合金組織和強化效果；同時合金的顯微組織和冶金缺陷也在很大程度上影響合金的疲勞特性，如夾雜物、偏析、疏鬆、晶粒大小不均等因素會誘發裂紋源的產生，同時合金製備過程中難以避免的方向性使材料的不同方向的疲勞特性也有所差異。
張濤等[6]研究了Al-Si系鑄造鋁合金疲勞性能，發現鑄造過程難以避免的孔洞及Si顆粒大小、形貌均對鑄造鋁合金材料疲勞裂紋的萌生有重要影響；Zhai[7]通過對鋁鋰合金疲勞性能各向異性的研究發現，在軋制方向強度低，疲勞性能也最差，疲勞裂紋多沿方向萌生，而在厚度方向強度較高，鮮見裂紋的萌生，疲勞性能也自然最佳；時效處理是改善鋁合金性能的有效途徑，由於其改變了合金微觀組織結構，自然也對合金疲勞特性影響頗大；Sharma等[8]通過對不同時效處理後的AA 2219 鋁合金進行疲勞試驗，結果表明自然時效及欠時效處理後的合金疲勞性能較好，鮮見疲勞裂紋的萌生；而峰時效和過時效處理後的合金，其多出萌生疲勞裂紋切裂紋擴展速率較高，疲勞性能不佳。
◆ 構件狀態
合金表面粗糙度及工件結構如尺寸、幾何形狀、表面的溝槽、壁厚均勻性等，是影響合金疲勞特性不可小覷的因素。Suraratchai等[9]對影響鋁合金疲勞壽命的因素進行了研究，其對合金表面粗糙度進行了有限元分析，結果表明由於材料表面凹凸不平而引起的應力集中，是損害疲勞壽命的源頭；肖驥[10]研究了7475鋁合金板材的疲勞性能，在疲勞試驗中表現最好的T-L平面上的試件進行了噴丸處理，結果發現，經過噴丸處理之後，並不是一定提高了試件的疲勞強度，在噴丸處理的過程中，在引入殘餘壓應力的同時，也破壞了試件表面的平整度。殘餘壓應力將提高試件的疲勞強度，而過高的粗糙度，將使試件表面很容易成為裂紋源。
◆ 工作條件
載荷的大小和加載方式及加載頻率是合金材料疲勞壽命的決定性因素。劉崗等[11]研究了2E12鋁合金在不同應力水平下的疲勞性能及疲勞裂紋擴展速率，結果表明缺口的存在降低了疲勞強度，隨著應力比的提高，疲勞強度也大幅度改善；蹇海根等[12]通過金相、電鏡掃描顯微技術對比了不同應力下鋁合金的疲勞斷口顯微組織，發現疲勞裂紋萌生處與材料表面的距離隨加載應力升高而減小，加載應力越高，疲勞源區面積越小，裂紋擴展區的疲勞輝紋間距越大，且隨著應力的增大，斷口上疲勞裂紋擴展區的面積減小，瞬斷區的面積增大。
同時材料壽命也受工作環境如溫度、周邊介質等因素影響。Gasqueres等[13]通過對AA 2024鋁合金疲勞裂紋擴展規律的研究發現，正常室溫下，疲勞裂紋擴展進入第二階段後，將環境溫度調至223 K，裂紋長大又轉為第一階段的擴展規律，而且此時裂紋的擴展受到溫度和氣壓的共同影響。
鋁合金疲勞特性的影響因素很多，從單一或幾個因素的考慮對鋁合金材料疲勞壽命進行研究並不準確，建立相應的科學模型，綜合考慮所有因素從而精確地預測材料的疲勞壽命是需要進一步深入研究的重點。
疲勞壽命的估算方法
疲勞損傷造成災難**故以及巨額財產損失由來已久，構件的疲勞壽命估算一直備受矚目，其研究探索在近百年的時間內從未間斷，1945年Miner在對疲勞累積損傷問題進行大量試驗研究的基礎上，將Palmgren於1924年提出的線性累積損傷理論公式化，形成了Palmgren-Miner線性累積損傷法則；1963年Paris在斷裂力學方法的基礎上，提出了表達裂紋擴展規律的Paris公式，此後又發展有損傷容限設計；1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基礎上，提出了根據應力-應變分析估算疲勞壽命的方法——局部應力-應變法，還有許多出色的研究人員提出的諸多計算方法[14]，以下簡單介紹現今在疲勞壽命估算方面三種主要運用的方法。
◆ 累積損傷理論
Miner理論是典型的線性累計損傷理論，Miner公式為：
其中n表示不同大小的載荷，N表示不同載荷單獨作用下出現裂紋的破壞次數，N表示總的循環次數，即疲勞壽命。當循環周期內載荷對構件所造成的損傷累計加至1時，構件即發生破壞；其簡單直觀，在工程上被廣泛應用，並由此衍生了最早的抗疲勞設計方法——名義應力法，其以材料或零件的S-N曲線描述材料的疲勞特性，根據應力集中係數和名義應力，結合線性累計損傷理論進行疲勞壽命計算。但名義應力法以材料力學和彈性力學為基礎，不考慮疲勞過程中的塑性變形，對發生高應力局部屈服的疲勞破壞並不適用。
◆ 局部應力-應變法
局部應力-應變曲線法認為構件的整體疲勞性能，取決於最危險區域的局部應力應變狀態。其先實驗測定應力、應變和疲勞斷裂壽命的曲線和實驗數據，接下來結合Neuber公式進行缺口時間在隨機加載下的局部應力-應變響應分析，進行每一次循環的損傷計算，最後按線性累積模型求得疲勞損傷量，估算出壽命。修正後的Neuber公式為：
其中ΔS、Δσ、Δε分別為名義應力幅值、局部應力幅值和局部應變幅值。缺口疲勞係數是一個靜態參數，無法精確求解。
名義應力法沒有考慮疲勞過程中的塑性變形，局部應力-應變法彌補了這一缺陷，只要掌握材料試樣的循環應變、應力與壽命關係的曲線等少量實驗數據，通過對應力集中部位的應力應變分析後，就可以預計構件的疲勞壽命。但其運用的Neuber公式是一個經驗公式，人為誤差較大，而近年來興起的彈塑性有限元法較為精確，值得推廣[15]。
◆ 損傷容限法
斷裂力學是損傷容限法的基礎，實際上所有工程構件都有微觀缺陷，這一固有缺陷可以視其為一個初始裂紋，裂紋擴展壽命便是由初始裂紋擴展到臨界裂紋的應力循環數。疲勞裂紋臨界尺寸的選擇根據材料性質及工作狀態等因素確定，通常用裂紋擴展速率公式來描述不同結構與不同外載荷作用下的裂紋擴展行為，其擴展速率不僅與裂紋長度有關，也與載荷大小、加載方式等因素有關。
結 語
我國鋁合金材料疲勞特性的研究已經取得令人矚目的成績，但仍有許多問題亟待解決。我國在鋁合金疲勞裂紋萌生與擴展的微觀理論機制方面的研究並不深入，與一些發達國家尚有差距；鋁合金的織構組織對疲勞壽命影響的研究國內也鮮有涉及；在預測合金疲勞壽命時也很難全面綜合考慮所有不利因素，迫切需要更加準確的疲勞壽命預測公式，而近年來興起的有限元分析法帶來了新的曙光，雖然處於起步階段但也取得了喜人的成效，馮娟等[16]用有限元模擬分析方法，準確地計算出7475鋁合金在過載情況下疲勞裂紋的擴展速率，而熱處理工藝及微合金化的發展也大大提高了鋁合金的疲勞特性，相信不久後，我國對於鋁合金疲勞行為的研究必將步入世界領先水平。
參考文獻
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作者簡介
吳私(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為金屬材料。
通訊作者
王旭(1979—)，男，講師，博士後，研究方向為金屬材料及其金屬基複合材料。E-mail：wusi0618@sina.com