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平均应变对7050-T7451铝合金低周疲劳力学行为的影响研究

陈胤桢  
【摘要】:7050-T7451铝合金是7000系列高强铝合金的一种,在航空航天领域有着广泛的应用。随着航空航天技术的发展,对航空材料的要求越来越高,航空材料的疲劳问题也越来越受到重视。飞行器的飞行过程包括起飞-滑行-爬升-巡航-下降-着陆撞击-滑行等,每个阶段飞行器都会受到很大的疲劳载荷,同时也会产生比较大的平均应变(平均应力),由于平均应变(平均应力)会显著影响材料的力学行为和疲劳寿命,因此研究平均应变对航空材料低周疲劳力学行为的影响有着重要的工程实际意义。 为了研究平均应变对7050-T7451铝合金低周疲劳力学行为的影响,我们采用多试样法开展了不同应变比下的应变控制疲劳试验。选取应变比R为:-1,-0.06,0.06和0.5,每个应变比对应6个应变幅(0.4%,0.6%,0.8%,1.0%,1.5%,2.0%),并满足置信度为95%的要求。每一组试验得到试样的寿命,峰谷值应力,峰谷值应变,弹性模量,塑性应变和循环塑性应变能等数据。 试验结果表明,7050-T7451铝合金的低周疲劳循环应力响应与平均应变有关:在对称循环(R=-1)下,材料呈现循环软化特征,而在非对称循环(R≠-1)下,材料呈现与循环应变幅相关的硬化/软化特征。通过分析平均应力的循环相关变化得出:非对称应变控制疲劳会产生平均应力松弛现象,且随着应变幅增大,平均应力松弛速率增大,当应变幅较小(如0.4%)时,平均应力松弛现象不明显。不同应变比R下7050-T7451铝合金的平均应力松弛规律可以采用Maxwell模型很好的描述。采用不同应变幅下的滞后环比对与测量鲍辛格应变β均证明了7050-T7451铝合金符合Masing特性,因此,可以通过应变疲劳参数直接计算循环迟滞回能。拟合应变幅(最大应变)与疲劳寿命的试验数据得到了不同应变比下7050-T7451铝合金的ε。-Nf和εmax-Nf曲线以及具有存活率的p-εa-Nf和p-εmax-Nf曲线,并得到了描述应变幅ε。、平均应变ε。与低周疲劳寿命Nf三者关系的曲面方程Nf=0.001131/[(0.251εa/0.251-εm)-0.00207]2.6973。采用Manson-Coffin模型拟合ε。-Nf曲线,发现Manson-Coffin公式曲线的塑性段出现双线性现象。平均应变导致疲劳强度系数σf'和疲劳延性系数εf'增大,而疲劳强度指数b和疲劳延性指数c减小。采用SWT模型则可以比较准确地预测不同应变比下7050-T7451铝合金低周疲劳寿命。 论文还采用扫描电镜(SEM)对7050-T7451铝合金的疲劳试样断口进行观察,获得了不同应变比下,材料低周疲劳裂纹萌生与扩展的微观形貌特征。初步得出:低周疲劳裂纹均萌生于试样表面,且随着应变比和应变幅的增大,裂纹源增多、扩展速率增大,断口呈现为更明显的脆性断裂特征。


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