分享：不同應(yīng)力比條件下7075-T651鋁合金裂紋擴(kuò)展行為

7075鋁合金是高強(qiáng)度鋁合金中最具代表性的一種，主要由鋁、鋅、鎂、銅等元素組成，具有密度小、強(qiáng)度高、韌性好、成形容易和加工成本較低等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件中。7075-T651鋁合金是由7075鋁合金經(jīng)過(guò)固溶熱處理與時(shí)效硬化后，再對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變?yōu)?.5%~2%的預(yù)拉伸得到的。這一過(guò)程著重于提高材料的強(qiáng)度和機(jī)械加工性能，使7075-T651鋁合金有了較高的比強(qiáng)度與韌性，以及較好的耐腐蝕性[2]，更適合精密加工。 

筆者通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)，探討了7075-T651鋁合金在不同應(yīng)力比條件下的裂紋擴(kuò)展速率及其門檻值。試驗(yàn)采用ASTM E647《疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)方法，結(jié)合多種裂紋擴(kuò)展模型，如Paris模型、Walker模型和Forman模型，對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行詳細(xì)地分析和比較。結(jié)果可為鋁合金的損傷容限設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。 

1.   試驗(yàn)材料與試樣制備

試驗(yàn)材料為7075-T651鋁合金板材，材料供應(yīng)商為西南鋁，材料規(guī)范為AMS4078/AMS-QQ-A-250/12。 

材料的顯微組織為α(Al)+AlFeCu相+Al2CuMg相+Mg2Si相，其微觀形貌如圖1所示。 

圖  1  標(biāo)樣試塊的微觀形貌

按照ASTM E647的要求設(shè)計(jì)裂紋擴(kuò)展速率及門檻值試樣，取樣方向?yàn)長(zhǎng)-T。試驗(yàn)使用寬度為100 mm、厚度為5 mm的M(T)型試樣，在負(fù)應(yīng)力比條件下增設(shè)防屈曲裝置，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

圖  2  疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門檻值試驗(yàn)M(T)試樣結(jié)構(gòu)示意

2.   疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

2.1   試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)環(huán)境

所有7075鋁合金薄板試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展與裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)均在液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)靜態(tài)力示值相對(duì)誤差不大于±0.5%，動(dòng)態(tài)力示值相對(duì)誤差不大于±1%。試驗(yàn)條件為空氣環(huán)境、室溫，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E647。 

2.2   試驗(yàn)步驟

2.2.1   預(yù)制疲勞裂紋

預(yù)制疲勞裂紋的目的是消除機(jī)械切口末端由機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力，并制造出尖銳鋒利的裂紋尖端。 

為防止裂紋尖端產(chǎn)生過(guò)載延遲效應(yīng)，應(yīng)至少采用兩級(jí)應(yīng)力水平進(jìn)行逐級(jí)降載，每級(jí)下降率不得大于20%，每一級(jí)加載范圍應(yīng)使裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展量不小于(3/π)(Kmax/Rp0.2)2，其中Kmax為上一級(jí)載荷最后的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子，Rp0.2為屈服強(qiáng)度。 

2.2.2   疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值試驗(yàn)

制好裂紋后，開始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)中記錄每級(jí)載荷水平或每級(jí)ΔK水平下的裂紋長(zhǎng)度a和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N。重復(fù)該過(guò)程，直到ΔK降至使$\frac{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}$不大于10−7 mm/周次。對(duì)得到的da/dN-ΔK數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth[3]。 

2.2.3   試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

采用割線法處理近門檻值區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。針對(duì)同一個(gè)應(yīng)力比R下的$\frac{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}$不大于10−7~10−6 mm/周次的da/dN-ΔK數(shù)據(jù)，按式（1）進(jìn)行最佳擬合。 

式中：C1和n1為擬合參數(shù)。 

由式（1）計(jì)算$\frac{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}{\text{<span style="color:\#000000;">d</span>}\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">?</span>}}$不大于10−7 mm/周次對(duì)應(yīng)的ΔK值，即ΔKth。 

3.   試驗(yàn)結(jié)果

不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線如圖3所示。不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值如表1所示。 

圖  3  不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，材料的裂紋擴(kuò)展門檻值隨應(yīng)力比的減小而增大。在更小的應(yīng)力比下，材料能夠承受更大的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，而不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力比為負(fù)值（如R=−1）時(shí)，每個(gè)循環(huán)中負(fù)載都會(huì)反轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致更顯著的裂紋閉合效應(yīng)。這種效應(yīng)有助于緩解裂紋的開啟水平，減小推動(dòng)裂紋生長(zhǎng)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子（ΔK），而在略微正的應(yīng)力比（如R=0.1）下，雖然裂紋不會(huì)經(jīng)歷完全的閉合和開啟，但是裂紋尖端的塑性變形可能導(dǎo)致裂紋在較低的ΔK值下就開始擴(kuò)展，使得門檻值相近。說(shuō)明在這兩種條件下，材料的抗裂紋擴(kuò)展性能相似。 

4.   模型建立過(guò)程

4.1   模型選擇以及數(shù)據(jù)選取

選用目前比較常見的3種疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型：Pairs模型、Walker模型和Forman模型，對(duì)裂紋擴(kuò)展速率為5×105~1×106 mm/周次的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并根據(jù)各應(yīng)力比下的數(shù)據(jù)模型，擬合全部的試樣數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。 

4.2   Paris模型

Paris模型為 

式中：C，m為擬合參數(shù)。 

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得 

計(jì)算后得到的擬合參數(shù)如表2所示。 

4.3   Walker模型

Walker模型為 

式中：R為應(yīng)力比。 

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得 

計(jì)算后得到的擬合參數(shù)如表3所示。 

4.4   Forman模型

Forman模型[4]如式（6）所示。 

式中：Kc為斷裂韌度，根據(jù)斷裂韌性試驗(yàn)，此處 Kc為29.3 MPa·${\text{<span style="color:\#000000;">m</span>}}^{\frac{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;">2</span>}}}$。 

將上述公式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得 

計(jì)算后得到的擬合參數(shù)表4所示。 

5.   數(shù)據(jù)分析

各應(yīng)力比下的原始數(shù)據(jù)以及3種擬合公式得到數(shù)據(jù)如圖4~7所示。由圖4~7可知：3種模型在相同應(yīng)力比的條件下，使用相同數(shù)據(jù)擬合出的公式在形式上雖有差別，但其表達(dá)的效果與相關(guān)系數(shù)基本相同。其中Walker模型和Forman模型尤其適用于考慮應(yīng)力比影響的場(chǎng)景，對(duì)于單一應(yīng)力比，可選用其中任意一個(gè)模型來(lái)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展速率的擬合[5]。 

圖  4  原始和擬合公式（R=-1）數(shù)據(jù)

圖  5  原始和擬合公式（R=0.1）數(shù)據(jù)

圖  6  原始和擬合公式（R=0.3）數(shù)據(jù)

圖  7  原始和擬合公式（R=0.5）數(shù)據(jù)

6.   結(jié)論

對(duì)7075 T651鋁合金在一系列不同應(yīng)力比（−1, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）下的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了深入分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力比的減小，材料的裂紋門檻值逐漸增大。此外，在應(yīng)力比為−1與0.1情況下，兩者的門檻值十分接近，鑒于R=−1條件下的試驗(yàn)難度較大，涉及到材料屈曲及裂紋閉合效應(yīng)的復(fù)雜性，R=0.1的門檻值數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)有效的參考。此外，利用Paris模型、Walker模型及Forman模型擬合裂紋擴(kuò)展速率，評(píng)估了這些模型在不同應(yīng)力比下的數(shù)據(jù)。這些模型均顯示出良好的擬合效果，證實(shí)了這3種模型在不同應(yīng)力環(huán)境下裂紋行為分析的適用性和準(zhǔn)確性。 

深入了解裂紋擴(kuò)展行為和應(yīng)力比的影響，有助于更有效地預(yù)測(cè)材料在實(shí)際應(yīng)用中的疲勞壽命，進(jìn)而為航空、航天等關(guān)鍵行業(yè)中相關(guān)材料的應(yīng)用和安全評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。這一策略不僅有助于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)部件的使用壽命，也為未來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

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