1、引言7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，此類合金具有密度低、比強(qiáng)度高、良好的加工性能及優(yōu)良的焊接性能等一系列優(yōu)點(diǎn)。隨著應(yīng)用在鋁合金上的熱處理工藝及微合金化技術(shù)的不斷改進(jìn)，其力學(xué)性能被大幅度強(qiáng)化，綜合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、車輛、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等方面都得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)7系鋁合金的強(qiáng)度、韌性以及抗應(yīng)力腐蝕性能等提出了更高的要求。但是存在另外一個(gè)現(xiàn)象，在各行各業(yè)的領(lǐng)域中，鋁合金設(shè)備偶爾會(huì)出現(xiàn)難以察覺(jué)的斷裂，在斷裂之前很難甚至無(wú)法察覺(jué)到一點(diǎn)塑性變形。這種斷裂形式，對(duì)人身以及財(cái)產(chǎn)安全造成了不可挽回的損失。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，這些斷裂是由于材料的疲勞引起，材料在交變載荷的長(zhǎng)期作用下，表面或者內(nèi)部，尤其是內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋。本文主要研究鋁合金疲勞引起的裂紋以及疲勞斷口分析，此類研究對(duì)于日后的生產(chǎn)安全有重大意義。2、7系鋁合金的發(fā)展歷史在20世紀(jì)20年代，德國(guó)的科學(xué)家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于該合金抗應(yīng)力腐蝕性能太差，并未得到產(chǎn)業(yè)內(nèi)應(yīng)用。在20世紀(jì)30年代初一直到二戰(zhàn)結(jié)束期間，各個(gè)國(guó)家在研究中發(fā)現(xiàn)，Cu元素可以提高鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。在此，開(kāi)發(fā)了大量Al-Zn-Mg系合金，因此忽視了對(duì)Al-Zn-Mg系合金的研究。德、美、蘇、法等國(guó)在Al-Zn-Mg-Cu系合金基礎(chǔ)上成功地開(kāi)發(fā)了7075、B93和D683等合金。目前正廣泛應(yīng)用在航空航天事業(yè)上，但是強(qiáng)度、韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能三者之間未能實(shí)現(xiàn)最佳組合狀態(tài)。20世紀(jì)50年代，德國(guó)科學(xué)家公布了具有優(yōu)良焊接性能的合金AlZnMg1和AlZnMg2，引起了人們對(duì)Al-Zn-Mg系合金的重視。在此段時(shí)間，美國(guó)學(xué)者在AlZnMg1合金的基礎(chǔ)上，加入了Zr、Mn、Cr等元素，研制出了7004和7005合金，具有優(yōu)良焊接性和抗應(yīng)力腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于焊接行業(yè)。唯一不足的是，工藝性能較差。日本科學(xué)家嘗試降低合金中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藝性能提高，但是降低了很大的強(qiáng)度。同時(shí)期內(nèi)，前蘇聯(lián)也研制出了1915、1933合金，強(qiáng)度也是偏低。為了克服強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，20世紀(jì)70年代又研制出7020合金，具有高強(qiáng)度，焊接性好的性能。以后，人們把注意力集中在了Al-Zn-Mg系鋁合金上。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)科學(xué)家先后在7075合金的基礎(chǔ)上，為了解決實(shí)際生產(chǎn)中抗應(yīng)力腐蝕敏感性較高的問(wèn)題，以及滿足某些特殊需要，調(diào)整了部分合金元素的含量，發(fā)展了許多新型合金。相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)7系鋁合金的研究起步較晚，在20實(shí)際80年代，由東北和北京研究院研制Al-Zn-Mg系鋁合金。目前主要有7050、7075、7175等合金產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代中期，北京航空材料研究所采用常規(guī)半連續(xù)鑄造法試制出7A55超高強(qiáng)鋁合金，近幾年又研制出強(qiáng)度更高的7A60合金。而在Al2Zn2Mg系鋁合金的研制上，國(guó)內(nèi)基本都是仿制，很少自行開(kāi)發(fā)。3、鋁合金疲勞的分類3.1疲勞的定義疲勞斷裂是由于交變載荷、應(yīng)力下引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度σb，有時(shí)甚至低于屈服強(qiáng)度σs。一般情況下，疲勞破壞不發(fā)生明顯的塑性變形，其變形主要是脆性斷裂，是一種沒(méi)有預(yù)兆、十分危險(xiǎn)的破壞形式，難以檢測(cè)、預(yù)防。鋁合金的疲勞，按疲勞破壞原因可分為三類：熱疲勞、腐蝕疲勞和機(jī)械疲勞。3.2

熱疲勞鋁合金的熱疲勞是在交變應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。外部約束和內(nèi)部約束是產(chǎn)生熱疲勞的兩個(gè)必要條件，外部約束即阻礙材料自由膨脹，內(nèi)部約束即產(chǎn)生溫度梯度，使材料膨脹，但由于約束從而產(chǎn)生熱應(yīng)力與熱應(yīng)變，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)，導(dǎo)致裂紋的萌生、擴(kuò)展。張文孝等研究了LD8鋁合金的同相和異相熱疲勞特性，應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)方法對(duì)不同狀態(tài)下熱疲勞壽命進(jìn)行了探討。3.3

腐蝕疲勞長(zhǎng)期在化工行業(yè)使用或者海水中使用的金屬材料，處于腐蝕的環(huán)境中，此外還承受交變載荷作用，與正常環(huán)境下的金屬材料相比，腐蝕性環(huán)境和交變載荷同時(shí)作用，會(huì)顯著降低材料的疲勞性能，從而產(chǎn)生構(gòu)件的破壞，以至于最終斷裂。宮玉輝等研究了不同腐蝕環(huán)境對(duì)7475-T7351鋁合金疲勞性能及裂紋擴(kuò)展速率的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展有較明顯的加速作用，但不同環(huán)境腐蝕和不同溫度對(duì)材料的低周疲勞性能影響不大。王成等將不同濃度硅酸鈉添加到鋁合金中，發(fā)現(xiàn)其可以抑制鋁合金的點(diǎn)蝕、減少裂紋源，提高鋁合金在氯化鈉溶液中抗點(diǎn)蝕的能力及腐蝕疲勞壽命，但對(duì)鋁合金的腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展無(wú)法抑制。3.4機(jī)械疲勞機(jī)械零部件在外加應(yīng)力或者應(yīng)變作用下將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械疲勞，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作后，即使所受應(yīng)力小于材料屈服點(diǎn)，仍然會(huì)產(chǎn)生裂紋，或者產(chǎn)生斷裂。在循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較長(zhǎng)，稱之為高周疲勞，也稱應(yīng)力疲勞;在循環(huán)應(yīng)力水平較高時(shí)，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較短，稱之為低周疲勞，也稱塑性疲勞。李睿等對(duì)2024-T3鋁合金孔板進(jìn)行了高低周復(fù)合疲勞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著高低周循環(huán)次數(shù)增大，復(fù)合疲勞壽命有顯著的降低，并建立了高低周循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅比與高低周復(fù)合疲勞壽命之間的關(guān)系式，但其只考慮了載荷循環(huán)次數(shù)對(duì)疲勞的影響，沒(méi)有全面綜合其他影響疲勞壽命的因素。4、疲勞破壞過(guò)程及機(jī)理金屬設(shè)備疲勞過(guò)程的開(kāi)始，即疲勞裂紋的萌生稱為疲勞源。疲勞源是材料微觀組織永久損傷的核心，當(dāng)裂紋開(kāi)始萌生后，逐漸長(zhǎng)大并與其它裂紋合并，然后形成肉眼可見(jiàn)的宏觀裂紋，稱為主裂紋，此時(shí)裂紋萌生階段結(jié)束。之后，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，首先開(kāi)始穩(wěn)定擴(kuò)展，裂紋達(dá)到臨界尺寸后，隨著進(jìn)一步的交變應(yīng)力、應(yīng)變作用下，金屬材料無(wú)法承受，裂紋開(kāi)始突然間失穩(wěn)，材料瞬間產(chǎn)生破壞，發(fā)生斷裂。簡(jiǎn)而言之，疲勞破壞過(guò)程分為：裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段。每個(gè)階段具體如下：裂紋萌生：由于應(yīng)力集中，疲勞裂紋首先起源于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)最薄弱的額區(qū)域，或者應(yīng)力較高的區(qū)域。裂紋萌生初期，長(zhǎng)度小于0.05mm~0.1mm，此裂紋稱為疲勞裂紋核。隨著疲勞進(jìn)行，微觀裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，肉眼可見(jiàn)。鋁合金材料疲勞裂紋萌生主要部位有滑移帶、晶界、相界面三種。裂紋擴(kuò)展：疲勞裂紋萌生結(jié)束后，將進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。此階段又分為兩個(gè)部分，首先是裂紋沿主滑移系，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展速率極低，其延伸范圍在幾個(gè)晶粒長(zhǎng)度之間。其次，在晶界的阻礙作用下，使擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力即拉應(yīng)力方向，并形成疲勞條紋或稱為疲勞輝紋，一條輝紋就是一次循環(huán)的結(jié)果。第一階段的裂紋擴(kuò)展速度慢，長(zhǎng)度小，所以該階段的形貌特征并不明顯。而第二階段的穿晶擴(kuò)展，其擴(kuò)展速率隨循環(huán)周次增加而增大，擴(kuò)展程度也較為明顯，多數(shù)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(kuò)展方向垂直略呈彎曲并相互行的溝槽狀花樣，有斷口比較平滑而且分布有貝紋或海灘花樣，有時(shí)則呈現(xiàn)以源區(qū)為中心的放射線，疲勞條紋是疲勞斷口最有代表性的特征。一般情況下，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在整個(gè)斷口所占面積較大。疲勞裂紋擴(kuò)展階段是材料整個(gè)疲勞壽命的主要組成部分。不同鋁合金材料裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)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(kuò)展時(shí)間占整個(gè)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(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展的壽命。裂紋失穩(wěn)：疲勞裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度即臨界長(zhǎng)度時(shí)，材料表面不足以承受外部載荷，在下一次加載中將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致快速斷裂。這一階段是構(gòu)件壽命的最后階段，失穩(wěn)擴(kuò)展到斷裂這一短暫過(guò)程對(duì)于構(gòu)件壽命的貢獻(xiàn)是可以忽略的，裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域稱為瞬斷區(qū)，材料性質(zhì)不同，斷口相貌也截然不同。5、疲勞壽命的影響因素5.1材料內(nèi)因疲勞特性與合金成分有關(guān)，成分決定了合金組織以及強(qiáng)化效果;同時(shí)，合金的顯微組織也冶金過(guò)程中的缺陷也對(duì)合金疲勞有很大程度的影響，裂紋源可能由夾雜物，晶粒大小，晶粒偏析，晶界疏松引起。張濤等研究了Al-Si系鑄造鋁合金疲勞性能，發(fā)現(xiàn)鑄造過(guò)程難以避免的孔洞及Si顆粒大小、形貌均對(duì)鑄造鋁合金材料疲勞裂紋的萌生有重要影響;Zhai通過(guò)對(duì)鋁鋰合金疲勞性能各向異性的研究發(fā)現(xiàn)，在軋制方向強(qiáng)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(qiáng)度較高，鮮見(jiàn)裂紋的萌生，疲勞性能也自然最佳;時(shí)效處理是改善鋁合金性能的有效途徑，由于其改變了合金微觀組織結(jié)構(gòu)，自然也對(duì)合金疲勞特性影響頗大;Sharma等通過(guò)對(duì)不同時(shí)效處理后的AA2219鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明自然時(shí)效及欠時(shí)效處理后的合金疲勞性能較好，鮮見(jiàn)疲勞裂紋的萌生；而峰時(shí)效和過(guò)時(shí)效處理后的合金，其多出萌生疲勞裂紋切裂紋擴(kuò)展速率較高，疲勞性能不佳。5.2構(gòu)件狀態(tài)合金的疲勞特性也跟表面粗糙度、材料尺寸、幾何形狀、表面凹凸、壁厚均勻性有關(guān)。Suraratchai等對(duì)影響鋁合金疲勞壽命的因素進(jìn)行了研究，其對(duì)合金表面粗糙度進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明由于材料表面凹凸不平而引起的應(yīng)力集中，是損害疲勞壽命的源頭；肖驥研究了7475鋁合金板材的疲勞性能，在疲勞試驗(yàn)中表現(xiàn)最好的T-L平面上的試件進(jìn)行了噴丸處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)噴丸處理之后，并不是一定提高了試件的疲勞強(qiáng)度，在噴丸處理的過(guò)程中，在引入殘余壓應(yīng)力的同時(shí)，也破壞了試件表面的平整度。殘余壓應(yīng)力將提高試件的疲勞強(qiáng)度，而過(guò)高的粗糙度，將使試件表面很容易成為裂紋源。5.3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。劉崗等研究了2E12鋁合金在不同應(yīng)力水平下的疲勞性能及疲勞裂紋擴(kuò)展速率，結(jié)果表明缺口的存在降低了疲勞強(qiáng)度，隨著應(yīng)力比的提高，疲勞強(qiáng)度也大幅度改善;蹇海根等通過(guò)金相、電鏡掃描顯微技術(shù)對(duì)比了不同應(yīng)力下鋁合金的疲勞斷口顯微組織，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋萌生處與材料表面的距離隨加載應(yīng)力升高而減小，加載應(yīng)力越高，疲勞源區(qū)面積越小，裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋間距越大，且隨著應(yīng)力的增大，斷口上疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積減小，瞬斷區(qū)的面積增大。同時(shí)材料壽命也受工作環(huán)境如溫度、周邊介質(zhì)等因素影響。Gasqueres等通過(guò)對(duì)AA2024鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，正常室溫下，疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第二階段后，將環(huán)境溫度調(diào)至223K，裂紋長(zhǎng)大又轉(zhuǎn)為第一階段的擴(kuò)展規(guī)律，而且此時(shí)裂紋的擴(kuò)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(gè)因素的考慮對(duì)鋁合金材料疲勞壽命進(jìn)行研究并不準(zhǔn)確，建立相應(yīng)的科學(xué)模型，綜合考慮所有因素從而精確地預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命是需要進(jìn)一步深入研究的重點(diǎn)。具有效率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種顆粒以及多種基體，此方法總體上具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。6、疲勞壽命的估算方法因材料疲勞多數(shù)是不可預(yù)測(cè)，不可檢測(cè)到的塑性斷裂，因此造成的損失不可估計(jì)，所以材料疲勞壽命的估計(jì)一直以來(lái)是重要研究問(wèn)題。幾百年內(nèi)，各國(guó)科學(xué)家一直在探索、研究。1945年Miner在對(duì)疲勞累積損傷問(wèn)題進(jìn)行大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將Palmgren于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P(guān)aris在斷裂力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，提出了表達(dá)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的Paris公式，此后又發(fā)展有損傷容限設(shè)計(jì);1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變分析估算疲勞壽命的方法——局部應(yīng)力-應(yīng)變法，還有許多出色的研究人員提出的。諸多計(jì)算方法，以下簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)今在疲勞壽命估算方面三種主要運(yùn)用的方法。累積損傷理論Miner理論是典型的線性累計(jì)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(dú)作用下出現(xiàn)裂紋的破壞次數(shù)，N表示總的循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。當(dāng)循環(huán)周期內(nèi)載荷對(duì)構(gòu)件所造成的損傷累計(jì)加至1時(shí)，構(gòu)件即發(fā)生破壞;其簡(jiǎn)單直觀，在工程上被廣泛應(yīng)用，并由此衍生了最早的抗疲勞設(shè)計(jì)方法——名義應(yīng)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(jù)應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，結(jié)合線性累計(jì)損傷理論進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。但名義應(yīng)力法以材料力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，不考慮疲勞過(guò)程中的塑性變形，對(duì)發(fā)生高應(yīng)力局部屈服的疲勞破壞并不適用。局部應(yīng)力-應(yīng)變法局部應(yīng)力-應(yīng)變曲線法認(rèn)為構(gòu)件的整體疲勞性能，取決于最危險(xiǎn)區(qū)域的局部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。其先實(shí)驗(yàn)測(cè)定應(yīng)力、應(yīng)變和疲勞斷裂壽命的曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，接下來(lái)結(jié)合Neuber公式進(jìn)行缺口時(shí)間在隨機(jī)加載下的局部應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)分析，進(jìn)行每一次循環(huán)的損傷計(jì)算，最后按線性累積模型求得疲勞損傷量，估算出壽命。修正后的Neuber公式為：其中ΔS、Δσ、Δε分別為名義應(yīng)力幅值、局部應(yīng)力幅值和局部應(yīng)變幅值。缺口疲勞系數(shù)是一個(gè)靜態(tài)參數(shù)，無(wú)法精確求解。名義應(yīng)力法沒(méi)有考慮疲勞過(guò)程中的塑性變形，局部應(yīng)力-應(yīng)變法彌補(bǔ)了這一缺陷，只要掌握材料試樣的循環(huán)應(yīng)變、應(yīng)力與壽命關(guān)系的曲線等少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)應(yīng)力集中部位的應(yīng)力應(yīng)變分析后，就可以預(yù)計(jì)構(gòu)件的疲勞壽命。但其運(yùn)用的Neuber公式是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，人為誤差較大，而近年來(lái)興起的彈塑性有限元法較為精確，值得推廣。損傷容限法斷裂力學(xué)是損傷容限法的基礎(chǔ)，實(shí)際上所有工程構(gòu)件都有微觀缺陷，這一固有缺陷可以視其為一個(gè)初始裂紋，裂紋擴(kuò)展壽命便是由初始裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。疲勞裂紋臨界尺寸的選擇根據(jù)材料性質(zhì)及工作狀態(tài)等因素確定，通常用裂紋擴(kuò)展速率公式來(lái)描述不同結(jié)構(gòu)與不同外載荷作用下的裂紋擴(kuò)展行為，其擴(kuò)展速率不僅與裂紋長(zhǎng)度有關(guān)，也與載荷大小、加載方式等因素有關(guān)。7、疲勞斷口分析以高強(qiáng)鋁合金斷口形貌分析為例，如A7N01鋁合金，是Al-Zn-Mg-Cu熱處理強(qiáng)化型的高強(qiáng)度鋁合金，綜合性能較為優(yōu)異，具有高強(qiáng)度、較好的擠壓性和耐蝕性。目前較多的應(yīng)用在高速列車主要零部件上。試樣幾何尺寸如下：7.1疲勞宏觀斷口分析由實(shí)驗(yàn)可知，T型接頭焊趾處，是試樣斷裂的主要部位，因?yàn)樵谄谶^(guò)程中，焊趾處出現(xiàn)應(yīng)力集中，通過(guò)對(duì)焊接接頭的硬度分析，可以得知在距接頭中心線位置附近，大約10mm處，已進(jìn)入熱影響區(qū)的軟化區(qū)域，即焊趾所處的區(qū)域。如果采用惰性氣體保護(hù)，可以降低應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞。焊趾處出現(xiàn)疲勞裂紋源后，形成裂紋，然后向接頭中心處擴(kuò)展。這是由于焊接中，靠近中心的部位經(jīng)歷了來(lái)自左右兩側(cè)焊縫的熱循環(huán)處理，組織粗大，強(qiáng)度降低。當(dāng)多個(gè)裂紋源在焊趾表面出現(xiàn)時(shí)，裂紋將會(huì)以放射狀擴(kuò)展，向四周輻射，此時(shí)，多個(gè)微裂紋聚集到一起并合并成一個(gè)裂紋，此時(shí)微裂紋停止擴(kuò)展，主裂紋繼續(xù)，當(dāng)擴(kuò)展到材料臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂，材料斷口粗糙不平。在斷口上，疲勞穩(wěn)定擴(kuò)展