分享：A380鋁合金的高周與超高周疲勞性能及失效機(jī)制

0.   引　言

A380鋁合金作為一種應(yīng)用十分廣泛的鋁合金材料，具有易于加工、導(dǎo)熱性好、抗高溫開裂性好等特點(diǎn)，常用于制造引擎支架、變速箱、動力工具及各類軸等需要長時服役的關(guān)鍵設(shè)備及零部件[1-5]。A380鋁合金在服役過程中常受到循環(huán)載荷作用，疲勞是最主要的失效形式，通常其疲勞壽命達(dá)到或超過1×107周次，屬于超高周疲勞。一旦鋁合金零部件發(fā)生疲勞失效，將導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)或者機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，影響裝備的正常運(yùn)行。因此，研究A380鋁合金的超高周疲勞行為，分析其壽命概率分布特點(diǎn)，對于保障A380鋁合金關(guān)鍵零部件正常工作，避免疲勞失效的發(fā)生具有重要的意義。 

目前，針對A380鋁合金疲勞失效行為已經(jīng)開展了部分研究。XUE等[6]提出了一種A380鋁合金的多階段疲勞壽命分析模型，并提出微觀小裂紋萌生階段占總疲勞壽命的60%～80%。LUMLEY等[7]研究發(fā)現(xiàn)，時效處理對于提高A380鋁合金的疲勞性能具有顯著效果。KHISHEH等[8]探討了熱處理工藝對A380鋁合金高周彎曲疲勞性能的影響，并研究了應(yīng)力控制循環(huán)載荷下的斷裂行為。目前，A380鋁合金超高周疲勞失效的研究尚未深入開展，其超高周疲勞行為與疲勞壽命概率分布尚不明確，仍需進(jìn)一步探索。因此，作者對A380鋁合金開展不同應(yīng)力幅條件下的超聲疲勞試驗(yàn)，采用Weibull分布模型與Basquin模型構(gòu)建了A380鋁合金的存活率-應(yīng)力幅-疲勞壽命（P-S-N）曲線，分析了失效機(jī)制，以期為實(shí)際工程中A380鋁合金結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與維護(hù)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為壓縮機(jī)傳動軸用A380鋁合金，密度為2.77 g·cm−3，由動態(tài)法測得其動態(tài)彈性模量為76.6 GPa，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為3～4Cu，7.5～9.5Si，≤0.1Mg，≤2Fe，≤3Zn，≤0.5Mn，≤0.5Ni，≤0.35Sn，余Al。通過靜力拉伸試驗(yàn)測得A380鋁合金的屈服強(qiáng)度為169 MPa，抗拉強(qiáng)度為337 MPa，斷面收縮率為4.57%。 

按照GB/T 43896—2024《金屬材料 超高周疲勞試驗(yàn) 超聲試驗(yàn)法》，在A380鋁合金上截取如圖1所示的疲勞試樣，采用USF-2000型超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行超聲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)加載頻率為2×104 Hz，采用對稱循環(huán)載荷，應(yīng)力比R為−1，應(yīng)力幅${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為92～152 MPa，應(yīng)力幅間隔為12 MPa，載荷波形為正弦波，最大循環(huán)周次設(shè)為1×109周次。在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，使用冷卻空氣噴吹冷卻，以防止試驗(yàn)過程中試樣過熱。 

圖  1  疲勞試樣的形狀和尺寸

Figure  1.  Shape and dimension of fatigue specimen

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   疲勞壽命分布

由圖2可知：A380鋁合金在循環(huán)加載1×107周次時的疲勞極限為114 MPa，循環(huán)加載1×109周次時的疲勞極限為92 MPa；當(dāng)應(yīng)力幅不低于128 MPa時，大部分試樣發(fā)生高周疲勞失效，小部分試樣發(fā)生超高周疲勞失效（疲勞壽命大于1×107周次）；而當(dāng)應(yīng)力幅小于128 MPa時，試樣均發(fā)生超高周疲勞失效。在高周疲勞失效與超高周疲勞失效轉(zhuǎn)變的位置，A380鋁合金的應(yīng)力幅-疲勞壽命分布趨勢并未出現(xiàn)明顯變化，隨應(yīng)力幅的增加，疲勞壽命整體呈連續(xù)降低趨勢。A380鋁合金的應(yīng)力幅-疲勞壽命存在概率分布特點(diǎn)，因此使用P-S-N曲線對其進(jìn)行定量描述。選用Weibull分布[6]作為應(yīng)力幅一定條件下A380鋁合金疲勞壽命概率分布模型，選取Basquin模型[9-11]作為概率一定條件下A380鋁合金S-N曲線的基礎(chǔ)模型，Basquin模型可表示為 

圖  2  A380鋁合金的疲勞壽命分布及P-S-N曲線

Figure  2.  Fatigue life distribution and P-S-N curves of A380 aluminum alloy

式中：S為應(yīng)力幅；Nf為疲勞壽命；a，b為與A380鋁合金相關(guān)的材料參數(shù)，需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得。 

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計算出不同應(yīng)力幅條件下A380鋁合金的疲勞壽命存活率，選取相同存活率的應(yīng)力幅與疲勞壽命組成數(shù)據(jù)組。應(yīng)用Basquin模型擬合A380鋁合金的P-S-N曲線，具體的曲線擬合結(jié)果如下： 

根據(jù)P-S-N曲線擬合結(jié)果，可以推斷出A380鋁合金在50%存活率，1×107，1×108，1×109周次下的條件疲勞強(qiáng)度分別為131，115，100 MPa，在95%存活率下則分別為110，97，85 MPa。由圖3可以看出：隨著疲勞壽命按1個數(shù)量級遞增，A380鋁合金的條件疲勞強(qiáng)度基本呈線性趨勢下降，且不同存活率下的下降趨勢基本一致。 

圖  3  存活率50%與95%下A380鋁合金的條件疲勞強(qiáng)度隨疲勞壽命的變化曲線

Figure  3.  Curves of conditional fatigue strength vs fatigue life of A380 aluminum alloy at 50% and 95% survival rates

2.2   疲勞斷口形貌

由圖4和圖5可以看出：A380鋁合金高周疲勞斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)之間界線不明顯，且斷口四周出現(xiàn)了多個類似瞬斷區(qū)的位置；疲勞裂紋源位于試樣表面，裂紋源附近區(qū)域存在微孔狀缺陷與二次裂紋；裂紋擴(kuò)展區(qū)存在明顯的韌窩和平面狀斷口特征，這與準(zhǔn)解理斷裂中的韌窩及小解理平面特征十分相似，因此推斷A380鋁合金的高周疲勞斷裂類型為準(zhǔn)解理斷裂。 

圖  4  A380鋁合金在應(yīng)力幅140 MPa下的高周疲勞斷口形貌（Nf=8.24×105周次）

Figure  4.  High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =8.24×105 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region

圖  5  A380鋁合金在應(yīng)力幅128 MPa下的高周疲勞斷口形貌（Nf =1.57×106周次）

Figure  5.  High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf =1.57×106 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region

由圖6可以看出：在應(yīng)力幅140 MPa下，A380鋁合金斷口中出現(xiàn)了魚眼區(qū)以及其中的粒狀亮面（GBF）區(qū)，這是超高周疲勞失效的典型特征。魚眼區(qū)的邊界不是很清晰，這是因?yàn)榇藭r試樣的疲勞裂紋源位于試樣內(nèi)部，距試樣表面較遠(yuǎn)，在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化都相對平穩(wěn)，使得魚眼區(qū)形貌與其他區(qū)域形貌接近，邊界清晰度下降。同時，斷口中的GBF區(qū)可觀察到凹坑狀內(nèi)部缺陷。 

圖  6  A380鋁合金在應(yīng)力幅140 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =1.9×107周次）

Figure  6.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =1.9×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of GBF area

由圖7可以看出：在應(yīng)力幅128 MPa下，超高周疲勞斷口中疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)分界明顯，裂紋主要起源于表面，向試樣的另一側(cè)擴(kuò)展，近表面疲勞裂紋擴(kuò)展的路徑上還出現(xiàn)了二次凹坑狀缺陷；在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)觀察到撕裂棱、韌窩等典型的準(zhǔn)解理斷裂特征。 

圖  7  A380鋁合金在應(yīng)力幅128 MPa下的超高周疲勞斷口特形貌（Nf =1.6×107周次）

Figure  7.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf = 1.6×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology near crack initiation

由圖8可以看出，在應(yīng)力幅116 MPa下，A380鋁合金超高周疲勞斷口中也出現(xiàn)了由內(nèi)部起裂引起的魚眼區(qū)，這與應(yīng)力幅140 MPa下的超高調(diào)疲勞斷口特征基本一致。由于疲勞裂紋源距試樣表面較遠(yuǎn)疲勞，疲勞斷口中的魚眼區(qū)邊界也不清晰。GBF區(qū)也觀察到了類似凹坑的缺陷。疲勞裂紋以沿晶擴(kuò)展為主，以微孔為中心向四周擴(kuò)展而形成撕裂棱及臺階狀特征，同時伴有少量穿晶斷裂產(chǎn)生的二次裂紋以及類解理小平面特征，這表明A380鋁合金超高周疲勞斷裂以準(zhǔn)解理斷裂為主，與文獻(xiàn)\$[8]\$所得到的結(jié)論基本一致。 

圖  8  A380鋁合金在應(yīng)力幅116 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =7.8×107周次）

Figure  8.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 116 MPa (Nf =7.8×107 cycles): (a) overall morphology; (b) inside morphology of GBF area; (c) micropores and tearing edge in fish-eye area and (d) secondary cracks and stepped morphology in fish-eye area

由圖9可以看出：在應(yīng)力幅104 MPa下超高周疲勞斷口存在多個起源于試樣表面的裂紋源，裂紋源附近的近表面區(qū)存在微孔、疏松等內(nèi)部缺陷。試驗(yàn)材料A380鋁合金為壓鑄成形所得，其中不可避免地存在疏松、微孔等缺陷，而這些缺陷會引起鋁合金疲勞失效。 

圖  9  A380鋁合金在應(yīng)力幅104 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =1.17×108周次）

Figure  9.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 104 MPa (Nf =1.17×108 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of micropores and loose

3.   結(jié)　論

（1）A380鋁合金的應(yīng)力幅-疲勞壽命呈連續(xù)下降型分布，使用Weibull模型和Basquin模型構(gòu)建了A380鋁合金的P-S-N曲線模型，并得到存活率50%和95%下的S-N曲線公式。 

（2）A380鋁合金在50%存活率下1×107，1×108，1×109周次的條件疲勞強(qiáng)度分別為131，115，100 MPa，在95%存活率下1×107，1×108，1×109周次的條件疲勞強(qiáng)度分別為110，97，85 MPa。隨著疲勞壽命的增加，條件疲勞強(qiáng)度基本呈線性趨勢下降，且不同存活率下的下降趨勢基本一致。 

（3）A380鋁合金的高周疲勞裂紋源位于試樣表面，斷口中存在小解理平面及韌窩，斷裂類型為準(zhǔn)解理斷裂。超高周疲勞失效包括裂紋源位于表面的疲勞失效與裂紋源位于內(nèi)部的疲勞失效，其中：裂紋源位于表面的疲勞失效特征與高周疲勞失效相似；裂紋源位于內(nèi)部的疲勞失效斷口存在 GBF 區(qū)與魚眼區(qū)，同時還存在韌窩、撕裂棱、微孔等準(zhǔn)解理特征，疲勞斷裂以準(zhǔn)解理斷裂為主。

文章來源——材料與測試網(wǎng)