金属材料疲劳破坏的三个阶段（不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹的影响）

金属材料疲劳破坏的三个阶段（不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹的影响）采用 MasterSizer2000型激光粒度分析仪对粉 尘颗粒的粒径进行分析 激光电源功率为10mW 测 定波长为633nm 测试范围为0.02~2000μm。利 用 D8Advance型 X射线衍射仪(XRD)对粉尘颗粒进行 物 相 分 析 工 作 电 压 为 35kV 工 作 电 流 为 40mA 扫描速率为8(°)·min -1 步长为0.01°。按 照 GB/T6398-2017在 MTS-Landmark型高频疲 劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验 试验装置如图 1(a)所示 采用 COD 规测量疲劳裂纹尖端开口位 移 采 用 紧 凑 型 C(T)拉 伸 试 样 试 样 厚 度 为 8.0mm 具体形状和尺寸如图1(b)所示;加载波形 为正弦波 频率为10Hz 应力比为0.1和0.5;裂纹 的长 度 及 应 力 强 度 因 子 范 围 根 据 GB/T6398- 2017通过柔度法

摘 要:采用疲劳裂纹扩展试验、扫描电镜准原位观察等方法 研究了不同粉尘(扬尘和煤尘)颗粒 对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理。结果表明:在应力比0.1、应力强度因子范围小于 18MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段 扬尘和煤尘颗粒环境下铝合金的疲劳裂纹扩展速率明显低于空气环 境下 且煤尘颗粒环境下的裂纹扩展速率最低 这是由于煤尘颗粒的尺寸明显大于扬尘颗粒 加剧裂 纹闭合效应所致;随着应力比增至0.5后 粉尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率与空气环境下的差异 减小 这与裂纹闭合效应随应力比增加而弱化有关;粉尘颗粒增加了裂纹闭合间隙 促进裂纹闭合效 应 同时导致裂纹尖端产生大量的滑移带以及微裂纹 极大消耗扩展能量 从而降低裂纹扩展速率。

关键词:扬尘;煤尘;铝合金;疲劳裂纹扩展速率;裂纹闭合效应

中图分类号:TN146.21 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0075-08

0 引 言

7N01-T6 铝 合 金 具 有 密 度 小、比 强 度 高 和 成 形性好等优 点 广 泛 应 用 在 轨 道 交 通 领 域[1]。随 着高铁运行速度的不断提高以及运营里程的不断增加 铝合金构件面临的服役环境越来越复杂 对 构件的疲劳性能提出了越来越苛刻的要求[2]。因 此 复杂环境 下 铝 合 金 构 件 的 疲 劳 损 伤 行 为 是 目 前学者研 究 的 焦 点。前 期 研 究 人 员 主 要 对 温 度、 湿度、腐蚀介 质 等 环 境 因 素 对 铝 合 金 疲 劳 性 能 的 影响展 开 了 系 统 研 究[3]。研 究[4]表 明:低 温 环 境 会提高铝合金的裂纹扩展门槛值并降低疲劳裂纹 扩展速率 铝 合 金 的 疲 劳 寿 命 随 着 温 度 的 降 低 而 明显增加;高 温 环 境 会 提 高 铝 合 金 中 位 错 的 可 动 性 从而显著降低铝合金的疲劳强度[5-6]。环境湿 度越大 铝合金的疲劳性能越差 这主要是因为水 气中的氢原 子 容 易 扩 散 到 铝 合 金 裂 纹 尖 端 区 域 诱导氢脆的发生[7]。盐雾等腐蚀介质会导致铝合 金表面形成腐蚀坑 造成局部应力集中问题 加快 疲劳裂纹的扩展[8-10]。

课题组的前期研究[11]发现 环境中的粉尘颗粒 很容易通过吸附等方式聚集在铝合金裂纹表面 并 对疲劳裂纹扩展行为产生影响。当应力比为0.1、 应力强度因子范围 ΔK 为10 MPa·m 1/2 时 铝合 金在氧化铝颗粒作用下的裂纹扩展速率比空气环境 下降低了60% [12] 而在石墨颗粒作用下的裂纹扩展 速率则增加了近一倍[13]。众所周知 列车在实际运 行过程中经常会穿过富含扬尘的城郊、富含煤尘的 矿区等典型粉尘环境。这些粉尘颗粒的结构不同 对铝合金构件的疲劳行为也可能造成显著不同的影 响。但是 目前有关不同粉尘颗粒对铝合金疲劳扩 展行为影响的研究还鲜有报道。为此 作者选取了 扬尘和煤尘2种典型的粉尘颗粒 研究了这些粉尘 颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响 以期为轨道交通铝合金构件的服役安全提供理论 支撑。

1 试样制备与试验方法

试验材料为厚度8.0mm 的7N01-T6铝合金板 由**铝业公司提供 其化学成分(质量分数/%)为 4.34Zn 1.94Mg 0.24Cr 0.2Cu 余 Al 其室温抗拉强 度为387.0MPa 屈服强度为340.5MPa 断后伸长率 为10.0% 弹性模量为72.3GPa。试验用扬尘和煤尘 颗粒分别从城郊某工地和煤矿区附近采集 并将采集 的粉尘放入干燥箱进行干燥处理。

采用 MasterSizer2000型激光粒度分析仪对粉 尘颗粒的粒径进行分析 激光电源功率为10mW 测 定波长为633nm 测试范围为0.02~2000μm。利 用 D8Advance型 X射线衍射仪(XRD)对粉尘颗粒进行 物 相 分 析 工 作 电 压 为 35kV 工 作 电 流 为 40mA 扫描速率为8(°)·min -1 步长为0.01°。按 照 GB/T6398-2017在 MTS-Landmark型高频疲 劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验 试验装置如图 1(a)所示 采用 COD 规测量疲劳裂纹尖端开口位 移 采 用 紧 凑 型 C(T)拉 伸 试 样 试 样 厚 度 为 8.0mm 具体形状和尺寸如图1(b)所示;加载波形 为正弦波 频率为10Hz 应力比为0.1和0.5;裂纹 的长 度 及 应 力 强 度 因 子 范 围 根 据 GB/T6398- 2017通过柔度法获得。粉尘颗粒用聚氯乙烯膜包 裹在 C(T)试样的裂纹扩展区域中 使颗粒充分地 进入裂纹中 如图1(c)所示。利用扫描电镜准原位 观察方法对不同粉尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展行 为进行观察 所用准原位观察试样的厚度为2mm 并在试样一侧预制了一条长0.5mm 的缺口作为裂 纹源 具体尺寸如图2所示。在不同粉尘颗粒环境 下进行一定周次的疲劳试验后 利用 SU3500型扫 描电子显微镜(SEM)观察疲劳裂纹扩展形貌 直至 试样断裂。

2 试验结果与讨论

2.1 粉尘颗粒的微观形貌和物相组成

由图3可以看出 2种粉尘颗粒的粒径均呈近似 正态分布特征 扬尘颗粒和煤尘颗粒的平均粒径分别 为28 56μm。研究[14-15]表明 空气中颗粒物的大小 常用空气动力学直径来表示 其粒径范围为0.01~ 100μm 这与实际粉尘粒径测试结果相吻合。

由图4可以看出 扬尘颗粒和煤尘颗粒均呈块 状 颗粒尺寸在5~50μm 之间 其中扬尘颗粒的平 均尺寸小于煤尘颗粒。

由图5可以看出:2种粉尘颗粒的物相均十分复 杂 其中扬尘颗粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8) 和CaMg(CO3)2 等 物 相 而 煤 尘 颗 粒 中 主 要 存 在 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8 )、K[Al4Si2O9 (OH)3 ]、 Al2(Si2O5)(OH)4 和CaMg(CO3)2 等物相。

2.2 铝合金的裂纹扩展速率曲线

由图6可以看出 应力比0.1条件下铝合金的 疲劳裂纹扩展速率曲线包括疲劳裂纹萌生阶段(第 I阶段)、疲劳裂纹稳定扩展阶段(第Ⅱ阶段)、疲劳 裂纹快速扩展阶段(第Ⅲ阶段)。随着应力强度因子 范围的增加 疲劳裂纹扩展速率单调递增。在应力 强度因子范围小于18 MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段 扬尘颗粒和煤尘颗粒能明显降低铝合金的疲劳裂纹 扩展速率。当应力强度因子范围约为10 MPa·m 1/2 时 扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速 率比空气环境下分别降低了24.5%和45.1%。当 疲劳裂纹进入快速扩展阶段 即应力强度因子范围大于23MPa·m 1/2 时 铝合金在3种环境下的疲劳 裂纹扩展速率差异减小。

由图7可以看出 与应力比0.1条件下相比 应力比0.5条件下铝合金在3种环境下的疲劳裂 纹扩展速率 较 大 这 是 因 为 在 相 同 应 力 强 度 因 子 范围下 应力比的增加会弱化裂纹闭合效应[16] 从 而增大有效应力 强 度 因 子 范 围(ΔKeff) 使 裂 纹 更 容易扩展。在应力比为0.5、应力强度因子范围小 于6 MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段 扬尘颗粒和煤尘 颗粒环境下铝合金的疲劳裂纹扩展速率低于空气 环境下 当 应 力 强 度 因 子 范 围 约 为 10 MPa·m 1/2 时 扬尘颗粒 和 煤 尘 颗 粒 环 境 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 速率相近 相 比 空 气 环 境 下 分 别 降 低 了 10.1% 和 11.9% 明显小于应力比为0.1时的降低幅度。当 应力强度因子范围大于13 MPa·m 1/2 时 3种环境 下的疲劳裂 纹 均 进 入 快 速 扩 展 阶 段 其 疲 劳 裂 纹 扩展 速 率 的 离 散 性 明 显 增 大 且 差 异 性 变 得 不 明显。

2.3 铝合金的疲劳断口形貌

由图8和表1可知:在应力比为0.1、应力强度 因子范围约为10 MPa·m 1/2 条件下 铝合金在空气 环境下的疲劳断口表面平坦 无明显杂质 断口表面 的疲劳辉纹间距为0.70μm 并且在部分断面区域 出现了大量的微坑和破裂的第二相粒子;扬尘颗粒 和煤尘颗粒环境下的疲劳断口表面分别附着大量扬 尘颗粒和煤尘颗粒 在这2种环境下的疲劳辉纹间 距分别为0.63 0.42μm 均小于空气环境下。

由图9可以看出:在应力比为0.5、应力强度因 子范围约为10 MPa·m 1/2 条件下 铝合金在空气 环境下的疲劳断口表面有许多微坑 疲劳辉纹间距 为0.67μm;扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下疲劳断口 表面分别分布了许多扬尘颗粒和煤尘颗粒 疲劳辉 纹间距分别为0.55 0.51μm。

2.4 铝合金疲劳裂纹扩展的准原位形貌

由图10可以看出:经7117周次加载后 铝合 金在空气环境下的疲劳裂纹近似锯齿状 部分锯齿 状裂纹处的上下断面出现了明显的提前闭合现象 造成上 下 断 面 出 现 了 约 0.89μm 的 裂 纹 闭 合 间 隙[17] 同时裂纹尖端存在规则的平行滑移带和微裂 纹;疲劳加载次数增加至7874周次后 在原裂纹尖 端(图中圆圈)处主裂纹发生了偏转 并且产生了一 定的平行滑移带和少量微裂纹 随着裂纹长度的增 加 裂纹闭合间隙增加至1.10μm。当加载7954周 次后 裂纹贯穿试样 试样断裂。

由图11可以看出:铝合金在煤尘颗粒环境下加 载7839周次时的裂纹闭合间隙为1.02μm 且在裂 纹尖端出现了许多不规则的滑移带;加载8693周 次后 主裂纹上出现2处长约25.3μm 和34.4μm 的裂纹分支 裂纹中存在大量煤尘颗粒 这些颗粒能 有效增强闭合效应 此时裂纹闭合间隙达到1.37μm; 加载9210周次后 裂纹尖端附近的不规则滑移带 和微裂纹增多 导致裂纹的扩展路径相比空气环境 更加曲折。

由图12可以看出:铝合金在扬尘颗粒环境下加 载8482周次后的裂纹中存在明显的扬尘颗粒 增 加了裂纹闭合效应 此时裂纹闭合间隙达到1.15μm; 加载8688周次后 在扬尘颗粒环境下的裂纹尖端存 在大量的滑移带痕迹 此时裂纹闭合间隙为1.28μm; 加 载9510周次后 虽然疲劳裂纹扩展已经进入后 期快速扩展阶段 但此时扬尘颗粒仍可明显增加裂 纹闭合程度 裂纹闭合间隙约为3.46μm 并且裂纹尖端附近产生了大量滑移带和微裂纹 使裂纹扩展路 径变得更为曲折。

在理想的情况下 疲劳裂纹扩展速率取决于裂 纹尖端的应力强度因子范围(ΔK =Kmax-Kmin 其 中 Kmax 和 Kmin 分别为疲劳加载过程中裂纹尖端的 最大应力强度因子和最小应力强度因子[18])。在实 际疲劳裂纹扩展过程中 裂纹总是在裂纹尖端应力 强度 因 子 大 于 Kmin 时 就 发 生 提 前 闭 合。大 量 研 究[19]表明 由于接触表面之间存在明显的摩擦力 裂纹在裂纹尖端应力强度因子达到 Kop(裂纹面接 触时的应力强度因子)处会发生提前闭合。学者们 普 遍认为疲劳裂纹在闭合后不会发生扩展 因此裂 纹的扩展取决于 ΔKeff(ΔKeff=Kop-Kmin)。在空 气 环境中 裂纹上下断面较大的粗糙度造成了裂纹的提前闭合 使得上下断面间出现裂纹闭合间隙。 当裂纹的总长度接近时 扬尘颗粒、煤尘颗粒环境下 的裂纹闭合间隙明显大于空气环境 说明在扬尘颗 粒和煤尘颗粒作用下 裂纹更早闭合 即扬尘颗粒和 煤尘颗粒可有效提高疲劳裂纹的闭合程度 从而抑 制裂纹的扩展。此外 在相同环境下 煤尘颗粒环境 下的疲劳裂纹扩展速率略低于扬尘颗粒环境 这可 能是由于煤尘颗粒的平均粒径明显大于扬尘颗粒从 而加剧了裂纹闭合效应所致。2种粉尘颗粒进入裂 纹中后 会影响裂纹尖端的应力分布 使裂纹附近产 生更多的不规则滑移带和由不规则滑移带引发的微 裂纹/裂纹分叉[12]。随着加载过程的进行 微裂纹 最终扩展为裂纹分支 导致主裂纹偏转 并极大地消 耗扩展能量 从而降低裂纹扩展速率。

3 结 论

(1)扬尘颗粒和煤尘颗粒的平均粒径分别为 28 56μm 扬尘颗粒的平均尺寸小于煤尘颗粒 扬 尘颗 粒 主 要 含 有 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8 )和 CaMg(CO3 )2 等 物 相 而 煤 尘 颗 粒 中 主 要 存 在 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9 (OH)3]、 Al2(Si2O5)(OH)4 和 CaMg(CO3)2 等物相。

(2)在 应 力 比 0.1、应 力 强 度 因 子 范 围 小 于 18MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段 7N01-T6铝合金在 扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率明 显低于在空气环境下 且煤尘颗粒环境下的疲劳扩 展速率最低 这可能是由于煤尘颗粒的平均粒径明 显大于扬尘颗粒从而加剧了裂纹闭合效应所致。随 着应力比增至0.5后 铝合金在空气、扬尘颗粒和煤 尘颗粒3种环境下的疲劳扩展速率明显增大 且扬 尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率与空 气环境下的差异减小 这与裂纹闭合效应随应力比 增加而弱化有关。

(3)与空气环境相比 扬尘颗粒和煤尘颗粒环 境下铝合金中的疲劳裂纹发生较多次偏转 裂纹扩 展路径更加曲折;粉尘颗粒增加了疲劳加载过程中的裂纹闭合间隙 促进裂纹产生闭合效应 抑制裂纹 的扩展;粉尘颗粒影响裂纹尖端应力分布 导致裂纹 尖端产生大量的滑移带以及微裂纹或裂纹分支 极 大地消耗了扩展能量 从而降低了裂纹扩展速率。

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