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7N01铝合金材料疲劳失效分析及防护措施 　　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