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1、文献综述2011 级设 计 题 目 铝合金疲劳与断口分析学生某某胡伟学号 201111514专业班级指导教师黄俊教师院系名金属材料工程2011级03班称 材料科学与工程学院2 0 15 年 4 月 1 2 日铝合金疲劳与断口分析1绪论1.1引言7系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，此类合金具 有密度低、比强度高、良好的加工性能与优良的焊接性能等一系列优 点。随着应用在铝合金上的热处理工艺与微合金化技术的不断改良， 其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、 建筑、车辆、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛 的应用。现代工业的飞速开展，对
2、7系铝合金的强度、韧性以与抗应力腐 蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业 的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以发觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法发觉到一点塑性变形。 这种断裂形式，对人身以与财产安全 造成了不可挽回的损失。经过大量实验明确，这些断裂是由于材料的 疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，外表或者内部，尤其是内 部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以与疲劳断 口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。1.27系铝合金的开展历史在20世纪20年代，德国的科学家研制出 Al-Zn-Mg系合金，由于 该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在
3、20世纪30年 代初一直到二战完毕期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg系合金，因此无视了对 Al-Zn-Mg系合金的研究。德、美、苏、法等国在 Al-Zn-Mg-Cu系合金根底上成功地开发了 7075、B93和D。T。D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应 力腐蚀性能三者之间未能实现最优组合状态。20世纪50年代，德国科学家公布了具有优良焊接性能的合金 AIZnMgl和AIZnMg2引起了 人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。在此段时间，美国学者在AIZnMgl合 金的根底上，参加了 Zr、Mn C
4、r等元素，研制出了 7004和7005合 金，具有优良焊接性和抗应力腐蚀性能，广泛应用于焊接行业。唯一 不足的是，工艺性能较差。日本科学家尝试降低合金中Mg含量，提高Zn/Mg值，研制出了 ZK60和ZK61合金，使合金的焊接性和工艺性 能提高，但是降低了很大的强度。同时期内，前苏联也研制出了 1915、 1933合金，强度也是偏低。为了克制强度低的缺点，20世纪70年代 又研制出7020合金，具有高强度，焊接性好的性能。以后，人们把 注意力集中在了 Al-Zn-Mg系铝合金上。20世纪80年代初，美国科 学家先后在7075合金的根底上，为了解决实际生产中抗应力腐蚀敏 感性较高的问题，以与满足
5、某些特殊需要，调整了局部合金元素的含 量，开展了许多新型合金。相比之下，国内对7系铝合金的研究起步较晚，在20实际80年代， 由东北和研究院研制 Al-Zn-Mg系铝合金。目前主要有7050、7075、 7175等合金产品。20世纪90年代中期，航空材料研究所采用常规 半连续铸造法试制出7A55超高强铝合金，近几年又研制出强度更高 的7A60合金。而在Al2Zn2Mg系铝合金的研制上，国内根本都是仿 制，很少自行开发。1.3铝合金疲劳的分类疲劳的定义疲劳断裂是由于交变载荷、应力下引起的延时断裂，其断裂应力水平 往往低于材料的抗拉强度。b,有时甚至低于屈服强度。s。一般情况 下，疲劳破坏不发生明
6、显的塑性变形，其变形主要是脆性断裂，是一 种没有预兆、十分危险的破坏形式，难以检测、预防。铝合金的疲劳，按疲劳破坏原因可分为三类：热疲劳、腐蚀疲劳 和机械疲劳。铝合金的热疲劳是在交变应力和热应力共同作用下产生的疲劳破坏。外部约束和内部约束是产生热疲劳的两个必要条件，外部约束即阻碍材料自由膨胀，内部约束即产生温度梯度，使材料膨胀，但由于 约束从而产生热应力与热应变，经过一定的循环次数，导致裂纹的萌 生、扩展。X文孝等研究了 LD8铝合金的同相和异相热疲劳特性，应 用弹塑性断裂力学方法对不同状态下热疲劳寿命进展了探讨。长期在化工行业使用或者海水中使用的金属材料，处于腐蚀的环 境中，此外还承受交变载
7、荷作用，与正常环境下的金属材料相比，腐 蚀性环境和交变载荷同时作用，会显著降低材料的疲劳性能，从而产 生构件的破坏，以至于最终断裂。宫玉辉等研究了不同腐蚀环境对 7475-T7351铝合金疲劳性能与裂 纹扩展速率的影响，发现腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用， 但不同环境腐蚀和不同温度对材料的低周疲劳性能影响不大。王成等将不同浓度硅酸钠添加到铝合金中，发现其可以抑制铝合金的点蚀、 减少裂纹源，提高铝合金在氯化钠溶液中抗点蚀的能力与腐蚀疲劳寿 命，但对铝合金的腐蚀疲劳裂纹的扩展无法抑制。机械零部件在外加应力或者应变作用下将会产生机械疲劳，经长时 间工作后，即使所受应力小于材料屈服点，仍然会产生
8、裂纹，或者产 生断裂。在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿 命较长，称之为高周疲劳，也称应力疲劳；在循环应力水平较高时， 塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称之为低周疲劳，也称塑 性疲劳。李睿等对2024-T3铝合金孔板进展了上下周复合疲劳试验， 研究发现随着上下周循环次数增大， 复合疲劳寿命有显著的降低，并 建立了上下周循环次数和应力幅比与上下周复合疲劳寿命之间的关 系式，但其只考虑了载荷循环次数对疲劳的影响， 没有全面综合其他 影响疲劳寿命的因素。1.4疲劳破坏过程与机理金属设备疲劳过程的开始，即疲劳裂纹的萌生称为疲劳源。疲劳源 是材料微观组织永久损伤的核心，当裂纹开始
9、萌生后，逐渐长大并与 其它裂纹合并，然后形成肉眼可见的宏观裂纹，称为主裂纹，此时裂 纹萌生阶段完毕。之后，进入裂纹扩展阶段，首先开始稳定扩展，裂 纹达到临街尺寸后，随着进一步的交变应力、应变作用下，金属材料 无法承受，裂纹开始突然间失稳，材料瞬间产生破坏，发生断裂。简 而言之，疲劳破坏过程分为：裂纹萌生，裂纹扩展和失稳断裂三个阶 段。每个阶段具体如下：裂纹萌生：由于应力集中，疲劳裂纹首先起源于材料内部微观结构最薄弱的额 区域，或者应力较高的区域。裂纹萌生初期，长度小于0。05mm01mm此裂纹称为疲劳裂纹核。随着疲劳进展，微观裂纹逐渐开展成 宏观裂纹，肉眼可见。铝合金材料疲劳裂纹萌生主要部位有
10、滑移带、 晶界、相界面三种裂纹扩展：疲劳裂纹萌生完毕后，将进入裂纹扩展阶段。此阶段又分为两个 局部，首先是裂纹沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展，扩展速率极 低，其延伸X围在几个晶粒长度之间。其次，在晶界的阻碍作用下， 使扩展方向逐渐垂直于主应力即拉应力方向，并形成疲劳条纹或称为疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循 环的结果。第一阶段的裂纹扩展速度慢，长度小，所以该阶段的形貌特征并不 明显。而第二阶段的穿晶扩展，其扩展速率随循环周次增加而增大， 扩展程度也较为明显，多数材料的第二阶段可用电子显微镜观察到疲 劳条纹，有些甚至能用肉眼观察到。不同材料的疲劳条纹各不一样， 形貌也是种类繁多，有与裂纹扩展方向垂
11、直略呈弯曲并相互行的沟槽 状把戏， 有断口比拟平滑而且分布有贝纹或海滩把戏，有时如此呈 现以源区为中心的放射线，疲劳条纹是疲劳断口最有代表性的特征。一般情况下，疲劳裂纹扩展区在整个断口所占面积较大。疲劳裂纹扩展阶段是材料整个疲劳寿命的主要组成局部。不同铝合金材料裂纹扩展的两个阶段也有不同的寿命， 在材料外表光滑试件中，第一阶 段的扩展时间占整个疲劳寿命的绝大局部； 而在有缺口的试件中，第 一阶段几乎可以忽略，第二阶段的传播是整个疲劳裂纹扩展的寿命。裂纹失稳：疲劳裂纹扩展到一定长度即临界长度时，材料外表不足以承受外 部载荷，在下一次加载中将发生失稳扩展，导致快速断裂。这一阶段 是构件寿命的最后阶
12、段，失稳扩展到断裂这一短暂过程对于构件寿命 的贡献是可以忽略的，裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域称为 瞬断区，材料性质不同，断口相貌也截然不同。1.5疲劳寿命的影响因素疲劳特性与合金成分有关，成分决定了合金组织以与强化效果； 同 时，合金的显微组织也冶金过程中的缺陷也对合金疲劳有很大程度的 影响，裂纹源可能由夹杂物，晶粒大小，晶粒偏析，晶界疏松引起。 X涛等研究了 Al-Si系铸造铝合金疲劳性能，发现铸造过程难以防止 的孔洞与Si颗粒大小、形貌均对铸造铝合金材料疲劳裂纹的萌生有 重要影响；Zhai7通过对铝锂合金疲劳性能各向异性的研究发现， 在轧制方向强度低，疲劳性能也最差，疲劳裂纹多沿方
13、向萌生，而在 厚度方向强度较高，鲜见裂纹的萌生，疲劳性能也自然最优；时效处 理是改善铝合金性能的有效途径，由于其改变了合金微观组织结构， 自然也对合金疲劳特性影响颇大；Sharma等通过对不同时效处理后的AA 2219铝合金进展疲劳试验，结果明确自然时效与欠时效处理 后的合金疲劳性能较好，鲜见疲劳裂纹的萌生；而峰时效和过时效处 理后的合金，其多出萌生疲劳裂纹切裂纹扩展速率较高， 疲劳性能不 佳。合金的疲劳特性也跟外表粗糙度、材料尺寸、几何形状。外表凹 凸。壁厚均匀性有关。Suraratchai等对影响铝合金疲劳寿命的因素进展了研究，其对 合金外表粗糙度进展了有限元分析，结果明确由于材料外表凹凸
14、不平 而引起的应力集中，是损害疲劳寿命的源头；肖骥研究了7475铝合 金板材的疲劳性能，在疲劳试验中表现最好的T-L平面上的试件进展 了喷丸处理，结果发现，经过喷丸处理之后，并不是一定提高了试件 的疲劳强度，在喷丸处理的过程中，在引入剩余压应力的同时，也破 坏了试件外表的平整度。剩余压应力将提高试件的疲劳强度， 而过高 的粗糙度，将使试件外表很容易成为裂纹源。载荷的大小和加载方式与加载频率是合金材料疲劳寿命的决定性 因素。X岗等研究了 2E12铝合金在不同应力水平下的疲劳性能与疲 劳裂纹扩展速率，结果明确缺口的存在降低了疲劳强度， 随着应力比 的提高，疲劳强度也大幅度改善；蹇 海根等通过金相、
15、电镜扫描显微技术比照了不同应力下铝合金的疲劳 断口显微组织，发现疲劳裂纹萌生处与材料外表的距离随加载应力升 高而减小，加载应力越高，疲劳源区面积越小，裂纹扩展区的疲劳辉 纹间距越大，且随着应力的增大，断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小， 瞬断区的面积增大。同时材料寿命也受工作环境如温度、 周边介质等 因素影响。Gasqueres等13通过对AA 2024铝合金疲劳裂纹扩展规 律的研究发现，正常室温下，疲劳裂纹扩展进入第二阶段后，将环境 温度调至223 K,裂纹长大又转为第一阶段的扩展规律，而且此时裂 纹的扩展受到温度和气压的共同影响。铝合金疲劳特性的影响因素很 多，从单一或几个因素的考虑对铝合金材
16、料疲劳寿命进展研究并不准 确，建立相应的科学模型，综合考虑所有因素从而准确地预测材料的 疲劳寿命是需要进一步深入研究的重点。具有效率高、本钱低、工艺 简单等优点，适用于多种颗粒以与多种基体，此方法总体上具有一定 竞争力。1.6疲劳寿命的估算方法因材料疲劳多数是不可预测，不可检测到的塑性断裂，因此造成的 损失不可估计，所以材料疲劳寿命的估计一直以来是重要研究问题。 几百年内，各国科学家一直在探索、研究。1945年Miner在对疲劳累积损伤问题进展大量试验研究的根底上，将Palmgren于1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了 Palmgren-Miner线性累积损伤法如此；1963年Pa
17、ris在断裂力学方 法的根底上，提出了表达裂纹扩展规律的Paris公式，此后又开展有 损伤容限设计；1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的根底上，提 出了根据应力-应变分析估算疲劳寿命的方法一一局部应力-应变法, 还有许多出色的研究人员提出的。诸多计算方法，以下简单介绍现今在疲劳寿命估算方面三种主要运用的方法。1、累积损伤理论Min er理论是典型的线性累计损伤理论，Miner公式为：_ 11 料 *其中n表示不同大小的载荷，N表示不同载荷单独作用下出现裂纹 的破坏次数，N表示总的循环次数，即疲劳寿命。当循环周期内载荷 对构件所造成的损伤累计加至1时，构件即发生破坏；其简单直
18、观， 在工程上被广泛应用，并由此衍生了最早的抗疲劳设计方法一一名义 应力法，其以材料或零件的S-N曲线描述材料的疲劳特性，根据应力 集中系数和名义应力，结合线性累计损伤理论进展疲劳寿命计算。但名义应力法以材料力学和弹性力学为根底，不考虑疲劳过程中的塑性变形，对发生高应力局部屈服的疲劳破坏并不适用。2、局部应力-应变法局部应力-应变曲线法认为构件的整体疲劳性能，取决于最危险区 域的局部应力应变状态。其先实验测定应力、应变和疲劳断裂寿命的 曲线和实验数据，接下来结合 Neuber公式进展缺口时间在随机加载 下的局部应力-应变响应分析，进展每一次循环的损伤计算，最后按 线性累积模型求得疲劳损伤量，估
19、算出寿命。修正后的Neuber公式为：E其中 S>A>A£分别为名义应力幅值、局部应力幅值和局部应变幅值。缺口疲劳系数是一个静态参数，无法准确求解。名义应力 法没有考虑疲劳过程中的塑性变形，局部应力 -应变法弥补了这一缺 陷，只要掌握材料试样的循环应变、 应力与寿命关系的曲线等少量实 验数据，通过对应力集中部位的应力应变分析后， 就可以预计构件的 疲劳寿命。但其运用的Neuber公式是一个经验公式，人为误差较大, 而近年来兴起的弹塑性有限元法较为准确，值得推广。3、损伤容限法断裂力学是损伤容限法的根底，实际上所有工程构件都有微观缺 陷，这一固有缺陷可以视其为一个初始裂纹，
20、 裂纹扩展寿命便是由初 始裂纹扩展到临界裂纹的应力循环数。疲劳裂纹临界尺寸的选择根据 材料性质与工作状态等因素确定，通常用裂纹扩展速率公式来描述不 同结构与不同外载荷作用下的裂纹扩展行为，其扩展速率不仅与裂纹 长度有关，也与载荷大小、加载方式等因素有关。1.7疲劳断口分析以高强铝合金断口形貌分析为例，如A7N01铝合金，是 Al-Zn-Mg-Cu热处理强化型的高强度铝合金，综合性能较为优异，具 有高强度、较好的挤压性和耐蚀性。目前较多的应用在高速列车主要 零部件上。试样几何尺寸如下:图1疲劳试件儿何尺寸閹由实验可知，T型接头焊趾处，是试样断裂的主要部位，因为在疲 劳过程中，焊趾处出现应力集中，
21、通过对焊接接头的硬度分析，可以 得知在距接头中心线位置附近，大约 10mn处，已进入热影响区的软 化区域，即焊趾所处的区域。如果采用惰性气体保护，可以降低应力 集中，从而降低材料的疲劳。焊趾处出现疲劳裂纹源后，形成裂纹，然后向接头中心处扩展。这是 由于焊接中，靠近中心的部位经历了来自左右两侧焊缝的热循环处 理，组织粗大，强度降低。当多个裂纹源在焊趾外表出现时，裂纹将 会以放射状扩展，向四周辐射，此时，多个微裂纹聚集到一起并合并 成一个裂纹，此时微裂纹停止扩展，主裂纹继续，当扩展到材料临界 裂纹长度时，产生失稳断裂，材料断口粗糙不平。在断口上，疲劳稳 定扩展区占到整个面积的一半，疲劳裂纹源面积较
22、小。由扫描电子显微镜可以观察到疲劳裂纹源， 以面心立方为例，合金 中存在许多滑移系，比拟容易产生滑移变形。当裂纹源产生，材料外 表产生滑移，出现滑移带，在交变载荷作用下，试样的轴向拉应力较 大，加上焊趾处应力集中，所以在焊趾处通过滑移产生较大的塑性变 形。由于交变载荷不断反复，滑移面被破坏，便出现微裂纹，微裂纹长大，就形成了小裂纹。小裂纹形成降低了其他裂纹扩展速率，因 此材料往往存在扩展停止的其他小裂纹。在裂纹扩展中，在晶界、晶粒、金属基体交界处会萌生裂纹，这是 为了达到自由能平衡，这样的结果是使裂纹扩展到各个晶面， 看起来 像羽毛状的形状。同时，裂纹在扩展过程中，相邻裂纹长大的方式是 一种撕
23、裂的方式，存在明显塑性变形，较高的载荷在第二相粒子上作 用，使粒子破裂，裂纹不断X开和闭合，形成了疲劳条带，导致断口 上出现凹陷和犁沟。疲劳裂纹的稳定扩展特征包括出现疲劳辉纹， 通常，疲劳辉纹的数 目代表了疲劳循环的次数，每当出现一次循环，便出现一条疲劳辉纹。 因此，可以通过一定距离内的辉纹条数，大致判断出裂纹扩展速率。 其次，另外一个特征边上二次裂纹，即由断口外表向内部扩展的裂纹。二次裂纹和疲劳辉纹根本上平行， 扩展方式为沿晶扩展，二次裂纹一 般情况下，分布较为分散，同一方向，时隐时现。疲劳裂纹扩展到临界尺寸后，材料出现失稳扩展，形成瞬断区。断 口外表存在撕裂棱和韧窝。断裂呈现准解理断裂的特
24、点就是存在撕裂 棱，而韧性断裂的标志便是存在韧窝。可以推断出，疲劳断裂瞬断区 为准解理断裂和韧性断裂的混合断裂.1.8论文的研究意义本文开展了对铝合金疲劳以与疲劳破坏断口形貌的分析，研究了 铝合金疲劳破坏的一系列过程，这将对以后预防、检测以与估算材料 的寿命有重大意义。准确的计算材料的疲劳寿命，将能在发生重大事 故之前防止，减少了人身财产的损失。参考文献1 X静安，谢水生。铝合金应用与开发。：冶金工业，20112 X文孝，郭成壁。铝合金的热疲劳特性与断裂力学计算分析。固体力学学报,2002, 23(3): 361-3653 宫玉辉，X铭，X坤，等。不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金 疲劳
25、性能与裂纹扩展速率的影响。材料工程，2010(9): 71-734 王成，江峰,X波，等。硅酸钠对铝合金的缓蚀作用与对腐蚀 疲劳寿命的影响。腐蚀与防护，2000, 21(10): 435-4375 李睿，鲍蕊，费斌军。2024-T3铝合金孔板上下周复合疲劳试 验研究。飞机设计,2010, 30(3): 18-22X涛，何国球，莫德峰。铸造铝合金疲劳性能影响因素的研究。 化学工程与装备,2010(12): 1-47 Zhai。T。Strength distributionof fatigue crack initiationsites in an AlLi alloy 。Metallurgical and Materials Transactions A, 2006,37(10):3139-31478 Sharma V MJ, Sree Kumar K, Nageswara
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