赵志林

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，即表面滑移带开裂、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：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.08.098

1 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表明，每年由于材料失效而造成的经济损失，按1982年美元值计算，达到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。

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/T 3075-2008《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MTS 810kN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，即表面滑移带开裂，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 表面滑移带开裂

由疲劳断裂试样宏观图可以看出，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，杂质相与基体分离，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，裂纹源起源于试样表面（现行段加工侧），试样表面有微小的纵向划痕（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，并在金属材料中加入相应合金元素，使材料晶界强化，并在此基础上细化晶粒，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）减少表面加工质量缺陷，如表面粗糙度过大、表面刀痕、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表面质量，如渗碳、渗氮和表面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部分，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，剩余有效面积不足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表面滑移带开裂、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

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