缺口应力集中对高速列车铝合金超高周疲劳性能影响的研究

【摘要】：5083铝合金是一种不可进行热处理强化的合金材料,镁是其主要合金元素,该材料的强度高,塑性好,具有良好的抗腐蚀性及易加工性,被大量应用在高铁列车的骨架、车体及外板,以及汽车、飞机、海事船舶等的焊接构件。高速列车在运行过程中,其结构将承受由振动引起的循环荷载作用,这种振动虽然应力幅值不高,但循环周次很高(可达108-1010),严重威胁着构件在服役期的安全。因为结构设计需要,会有一些截面形状不连续的部分出现在机械构件上,这些部分在外加应力作用下会产生局部的应力集中现象,从而成为结构的弱点和裂纹开裂的主要区域,这种效应被称作缺口效应。因此开展关于缺口应力集中对5083铝合金超高周疲劳性能影响的研究非常具有实际的必要性。本文使用的加载频率为20kHz的加速疲劳试验装置,与传统的常规疲劳试验技术相比,可以更快获得构件超高循环周次范围内的疲劳试验数据。本文使用超声疲劳试验技术对不同应力集中系数的板状和圆柱形5083铝合金试样进行试验,分别测得在105-1010超高周次内上述试样的S-N曲线,研究了试样形状和缺口效应对该材料疲劳性能的影响。并结合场发射扫描电镜进行断口微观分析,对不同应力集中系数和不同缺口形状的铝合金试样疲劳断裂机理分别进行了研究。结果发现在107循环周次以上,不同形状的两种5083铝合金缺口试样的S-N曲线,都没有出现所谓的疲劳极限。该材料109周次对应的疲劳寿命远远小于107周次时的寿命,因此不能使用107周次时的条件疲劳极限作为5083铝合金在超高周次范围内的疲劳强度判据。试样形状对5083铝合金疲劳性能影响的研究表明：与光滑柱状和光滑板状试样的S-N曲线对比一样,不同形状5083铝合金缺口试样的疲劳寿命(S-N)曲线有不同的规律,其中圆柱变截面缺口试样的S-N曲线,在双对数坐标系中呈连续下降的趋势,而板状狗骨形缺口试样的S-N曲线,在双对数坐标系中为两段不同趋势的曲线。在106～1010加载周次范围内板状试样的疲劳寿命都明显低于柱状试样的疲劳寿命,并在107周次附近试样形状对疲劳寿命的影响达到一个峰值,但在106周次以下二者疲劳寿命差别不大,且在1010周次以上的超高周阶段二者疲劳寿命曲线则逐渐重叠。106～1010周次正是一般构件的服役寿命区间,因此在此寿命范围内用柱状试样的试验数据来评价板状构件的疲劳寿命是极不安全的。缺口应力集中效应的影响研究表明：无论是圆柱状试样还是板状试样,缺口应力集中效应都能使5083铝合金的疲劳寿命有所降低,而且理论应力集中系数的值越大,该试件的疲劳寿命下降就越严重。但是5083铝合金缺口试样的疲劳缺口系数Kf的值和疲劳缺口敏感系数q的值都不大,说明在理论应力集中系数增大的同时,5083铝合金材料的疲劳性能下降不明显,该材料的疲劳性能对缺口应力集中效应的敏感度并不高。试样断口的扫描电镜分析显示：由于材料内部结构较为紧密,5083铝合金疲劳裂纹都在试样表面萌生,无内部萌生的情况,没有观察到明显的鱼眼现象；由于表面缺陷和应力集中的影响,断口上的裂纹源不止一个,系多源形核；裂纹的扩展区和传统疲劳理论一致,在裂纹扩展进入稳定扩展区后可以观察到疲劳辉纹,表明5083铝合金材料塑性较好；理论应力集中系数更大的相同形状缺口试样的缺口应力集中效应更为显著,在相同应力条件下裂纹更易萌生,扩展更为快速,疲劳寿命更差,观察到的其瞬断区面积大于小应力集中系数缺口试样的瞬断区面积正好印证了这一点。造成106～1010周次内板状试样在的寿命低于柱状试样的寿命的原因,以及板状试样S-N曲线呈现两段不同的趋势线的原因还有待进一步的探讨。