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摘 要Abstract
关键词
7050铝合金；平面应变断裂韧度；试样厚度；残余应力；应力比；加载速率。
7050铝合金具有密度低、强度高、韧性高、易加工、优良的耐腐蚀性能等特点，已广泛应用于航空航天、兵器装备等领域，特别是航空飞机结构中。现阶段，飞机结构设计非常关注材料的损伤容限性能，而断裂韧度是材料耐损伤容限性能的重要指标之一，因此7050铝合金断裂韧度性能检测广泛应用于评价其韧性水平，为安全设计和生产检验提供了重要支撑[1]。
断裂韧度的测试原理为通过循环加载对带机加工缺口的试样预制疲劳裂纹，对带尖锐裂纹的试样施加垂直于裂纹平面的拉力时，裂纹尖端会发生小范围的塑性变形，通常试样裂纹尖端塑性区包括内部的平面应变区与表面的平面应力区（见图1）。若试样厚度足够小，平面应变区可忽略不计，裂纹尖端近似处于平面应力状态，可测得平面应力断裂韧度，平面应变区占比随着试样厚度的增大而增大，当试样厚度增大至一定程度时，裂纹尖端近似处于平面应变状态，可测得平面应变断裂韧度（见图2）。因此，在目前国内外的检测标准中，断裂韧度分为平面应变断裂韧度和平面应力断裂韧度两种试验方法，通常厚产品（6.35mm以上）测定平面应变断裂韧度KIC（或KQ），薄板产品测定平面应力断裂韧度KC，或表观平面应力断裂韧度Kapp，或指定有效裂纹扩展量Δae下的KR[2]。而其中，平面应变断裂韧度KIC值是7050铝合金产品最常用的性能指标。
标引序号说明：
1——裂纹面；
2——在试样表面的平面应力区；
3——在试样内部的平面应变区；
4——塑性区尺寸；
5——塑性区。
图1 裂纹尖端塑性区示意图
标引序号说明：
K——应力强度因子；
B——试样厚度；
KIC——平面应变断裂韧度；
1——B = (KIc/Rp0.2)2；
2——B = 2.5 (KIc/Rp0.2)2。
图2 断裂韧度与试样厚度关系示意图
在平面应变断裂韧度的检测中，试样厚度、加载速率及控制方法是影响试验结果的重要因素[3]，而试样的残余应力会影响预裂纹的有效性[4]。因此，本文使用7050铝合金厚板制备紧凑拉伸试样进行平面应变断裂韧度 KIC值测定，研究这三个因素对检测试样平面应变断裂韧度KIC值的影响，从而有效指导KIC试样的加工及检测，满足产品生产和工艺研究的测试需求。
一研究内容
1.1 试验材料及设备
试验样品选用稳定批产阶段的高强高韧铝合金材料，采用7050-T7451板材，样坯应带有原始表面，并标记加工方向和规格。试样选用紧凑拉伸C（T）试样，其尺寸需满足图3的要求，其中W/B=2，裂纹长度应满足0.45≤a/W≤0.55。
试验选用设备型号为MTS 370.10，如图4所示，其试验参数如下：
试验力范围：±100KN；静态负荷示值精度：优于±0.5%；动态负荷示值精度：优于±2%；同轴度：≤5%；引伸计精度：0.5级。
图3 试样尺寸要求
图4 试验设备
1.2 不同试样尺寸平面应变断裂韧度KIC比对试验
选用50mm、35mm、25mm及20mm四种厚度B的试样进行断裂韧度KIC试验，分析比对试样厚度对断裂韧度值的影响。选用试样信息如表1所示，方向为L-T向。
1.3带残余应力产品的平面应变断裂韧度比对试验
分别取两块7050-T7451板材，在淬火后其中一块不作预拉伸处理，另一块进行预拉伸处理，时效后取样并测定两块板材的KIC或KQ值。未预拉伸消除应力的试样采用0.1、0.5及0.7三种应力比进行裂纹预制，预拉伸消除应力的试样采用应力比0.1进行裂纹预制[5]。分析比对残余应力对断裂韧度值的影响，以及应力比对带残余应力试样预裂纹的影响。试样信息及试验参数如表2所示，试样厚度B=50mm，方向为L-T向。
1.4加载过程对试验结果的影响比对试验
在一些断裂韧性检测过程中，加载过程对断裂韧性值存在较大影响。使用7050-T7451紧凑拉伸试样，采用不同的加载速率和控制方式，研究加载过程对7050铝合金断裂韧度试验结果的影响。试样信息及试验参数如表3所示，试样厚度B=50mm，方向为L-T向。
二结果及分析
2.1 不同试样尺寸平面应变断裂韧度KIC比对试验结果
选取不同厚度的断裂韧度KIC试样进行试验，预制裂纹应力比R=0.1，加载速率为1 MPam1/2/s。试验结果如表4所示[6]。
根据表4试验结果，发现对于7050-T7451板材，不同尺寸的试样对应的有效KIC值差别不大，说明在能够得到有效KIC值的情况下，试样厚度对试验结果的影响不明显。
2.2 带残余应力产品的平面应变断裂韧度比对试验结果
根据测试要求进行试验，加载速率为1 MPam1/2/s。试验结果如下表5所示。
根据表5的试验结果可发现，对于7050-T7451板材，预制裂纹应力比R对未作预拉伸处理（即存在较大残余应力）试样的试验结果影响较大，预制裂纹应力比越大，KQ值越小，试验结果更加接近已预拉伸处理试样的KIC值，在应力比为0.7时，能够得到有效的裂纹。与已做预拉伸处理的试样进行对比，带残余应力的试样的KQ值整体偏大。
为进一步了解预制裂纹应力比R对带残余应力试样的试验结果的影响，对试样裂纹及断口进行分析，观察所有试样的断面，如图6所示。选取图5中的不同应力比对应的典型试样，分析测量的裂纹尺寸并配合观察裂纹形状可知，随着预制裂纹应力比R的增大，预裂纹分布越均匀，R=0.1和0.4时，无法满足预裂纹有效性判定的要求，在0.7时预裂纹分布很好，可满足预裂纹有效性判定的要求。
图5 带残余应力试样断口
图6 带残余应力试样在不同应力比下预制的裂纹
2.3 加载速率和控制方法对试验结果的影响比对试验结果
使用7050-T7451紧凑拉伸试样，采用不同的加载速率和控制方式进行试验，预制裂纹应力比R=0.1。试验结果如表6所示
由表6试验结果可知，对于7050- T7451板材，加载速率的大小及控制方式对试验结果仅有较小的影响，可以看到随着加载速率的增加，KIC值有着逐步减小的微小趋势，横梁位移控制的试验值最大，控制方式的不同主要在于近峰值区的速率有较大不同，力值控制的方式较快，这会对FQ及Fmax的取值有影响。但从KIC均值的差值比例来看，加载速率控制在标准要求的区间内，加载速率的大小及控制方式对试验结果的影响并不明显。
三结论
（1）对于7050- T7451板材, 在生产中可根据板材的实际厚度选取试样厚度，在能够得到有效KIC值的情况下，试样厚度对平面应变断裂韧度KIC试验结果的影响不明显。
（2）对于带残余应力的试样，预制裂纹的应力比越大，KQ值越小，预裂纹分布越均匀，试验结果更加接近已预拉伸处理试样的KIC值，应力比超过0.7时，能够得到有效的预裂纹。与已做预拉伸处理的试样相比，带残余应力的试样的KIC值显著偏大。
（3）加载速率的大小及控制方式对平面应变断裂韧度KIC试验结果有较小的影响，随着加载速率的增加，KIC值存在轻微减小的趋势，横梁位移控制的试验结果较载荷控制的结果稍大。但从差值比例来看，只要加载速率控制在标准要求的区间内，加载速率的大小及控制方式对试验结果的影响并不明显。
参考文献
刘兵,彭超群,王日初,等.大飞机用铝合金的研究现状及展望[J].中国有色金属学报,2010,20(9):1705-1715.
ASTM B646-12,Standard Practice for Fracture Toughness Testing of Aluminum Alloys [S].
ASTM E399-12e3,Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials[S].
余东梅,彭年秀,张银祥.7050高强铝合金断裂韧度KIC值试验结果有效性影响因素分析[J].铝加工,2022,(1):63-67.
ASTM B909-00（11）Standard Guide for Plane Strain Fracture Toughness Testing of Non-Stress Relieved Aluminum Products [S].
白树伟,姜楠,彭益州等,铝合金断裂韧度试验的可靠性分析,机械设计与制造工程,2019,48(12):80-84.