裂纹源位置对6005a铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

DOI:10．11973/jxgccl202001003

裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周

疲劳寿命的影响

11121岚，赵鸿金，李声慈，叶青，李德华

(1．江西理工大学材料科学与工程学院，赣州341000;2．广东坚美铝型材厂有限公司，顺德528300)

张

摘

T6铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响。要:通过高周疲劳试验研究了裂纹源位置对6005A-

T6铝合金挤压型材在应力比0．1下的中值疲劳强度为164．5MPa，结果表明:6005A-疲劳强度较高，但疲劳寿命分布较分散;在最大应力200MPa条件下，具有不同疲劳寿命试样的疲劳裂纹源区的面积较小，疲劳裂纹扩展区均由疲劳条带和二次裂纹组成，瞬断区的面积较大，均由孔洞和韧窝组成;在相同最大应力下疲劳寿命存在差异的原因在于疲劳裂纹源位置的不同，在最大应力为200MPa条件下，疲劳裂纹源位于孔洞缺陷处试样的疲劳寿命最长，比疲劳裂纹源位于氧化夹杂物处试样的疲劳寿命延长一个数量级，疲劳裂纹源位于Al7(CrFe)第二相颗粒处试样的疲劳寿命居于二者之间。

关键词:铝合金;高周疲劳寿命;裂纹源;孔洞;氧化夹杂物;第二相颗粒中图分类号:TG146．2

文献标志码:A

3738(2020)01-0016-05文章编号:1000-

EffectofCrackSourceLocationonHighCycleFatigueLifeof

6005AAluminumAlloyExtrudedProfiles

ZHANGLan1，ZHAOHongjin1，LIShengci1，YEQing2，LIDehua1

(1．SchoolofMaterialsScienceandEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China;

2．GuangdongJianmeiAluminumProfileFactoryCo．Ltd．，Shunde528300，China)

Abstract:Theeffectofcracksourcelocationonhighcyclefatiguelifeof6005A-T6aluminumalloyextruded

profileswasstudiedbyhighcyclefatiguetests．Theresultsshowthatthemedianfatiguestrengthof6005A-T6aluminumalloyextrudedprofileswas164．5MPaatthestressratioof0．1;thefatiguestrengthwasrelativelyhigh，butthefatiguelifedistributionwasrelativelydispersal．Underthemaximumstressof200MPa，thefatiguecracksourceregionofsampleswithdifferentfatigueliveswassmall;thefatiguecrackpropagationregionconsistedoffatiguestripsandsecondarycracks;theareaoftransientfractureregionwaslarge，andtheregionconsistedofholesanddimples．Themainreasonforthedifferenceinfatiguelifeunderthesamemaximumstresswasthedifferencelocationoffatiguecracksource．Underthemaximumstressof200MPa，thefatiguelifeofthesamplewithfatiguecracksourceinholeswasthelongest，whichwasoneorderofmagnitudelargerthanthatwithfatiguecracksourceonoxideinclusions，andthefatiguelifeofthesamplewiththefatiguecracksourceinAl7(CrFe)secondphaseparticleswasbetweenthetwo．

Keywords:aluminumalloy;highcyclefatiguelife;cracksource;hole;oxideinclusion;secondphaseparticle

0引言

［1］

6005A铝合金是一种中等强度且可热处理强化

01-16;修订日期:2019-12-12收稿日期:2019-基金项目:国家自然科学基金资助项目(51475040);江西省教育厅科

学技术研究项目(GJJ170551);江西理工大学研究生创新S083)专项项目(ZS2018-作者简介:张岚(1995－)，女，江西抚州人，硕士研究生通信作者(导师):赵鸿金教授

，焊具有良好的耐腐蚀性能、

接性能以及较高的强度，广泛用于轨道列车底盘、车

Mg-Si-Cu合金的Al-

［2-3］

。这些零部件体和壳体以及部分飞机结构件中

［4］

在长时间循环载荷的作用下极易发生疲劳破坏，

［5］

一旦断裂失效会产生严重的后果。因此，研究6005A铝合金的疲劳性能尤为重要。目前，有关轨

16

张岚，等:裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

表2Table2

道交通车辆用6005A铝合金的研究主要集中在疲［6］

劳性能的提高及其影响因素等方面。李宏德研究表明:钻孔加冷胀工艺能延长6005铝合金的疲劳

［7］

寿命。季凯等研究表明，添加适量铜可减缓焊接

6005A-T6铝合金挤压型材的拉伸性能Tensilepropertiesof6005A-T6aluminum

alloyextrudedprofiles

抗拉强度/MPa

屈服强度/MPa

断后伸长率/

%

断面收缩率/

热输入过程中6005A铝合金中析出相Mg2Si的长大

［8］趋势，从而提高铝合金的抗疲劳性能。闫少华研究了6005A铝合金激光-熔化极惰性气体保护(MIG)复

%22．57

2682389．8

合焊接接头去掉余高前后的疲劳性能，发现余高的存在使接头产生较严重的应力集中，同时接头表面状态较差，导致其疲劳性能较去掉余高后的差。汤运刚［9］

振动时效能有效地降低接头中的残余等研究表明，

应力并使其分布更均匀，且振动时效20min时，接头

疲劳性能的改善效果最好。但是，有关不同裂纹源对轨道交通车辆用6005A铝合金挤压型材疲劳性能影响的报道较少。为此，作者采用高周疲劳试验方法，研究了6005A铝合金挤压型材疲劳裂纹产生的原因以及不同裂纹源对疲劳寿命的影响。

试验温度为室温，施加样的形状与尺寸如图1所示，

轴向正弦波载荷，频率为95Hz，应力比为0．1，终止循

7

T6铝环周次为1．0×10周次。采用升降法测6005A-合金挤压型材的疲劳极限，初始应力取140MPa，应力

增量为5MPa，每次试验应力幅的选取(增加或降低)与上一次的试验结果(通过或失效)有关。

图1

Fig．1

疲劳试样的形状与尺寸

Shapeanddimensionoffatiguesample

1试样制备与试验方法

T6铝试验材料为某企业生产的4mm厚6005A-合金挤压型材，化学成分如表1所示。按照GB/T

3075－2008，在UTM5000电子万能拉伸试验机上进得到该行室温拉伸试验，拉伸速度为2mm·min，铝合金挤压型材的拉伸性能指标如表2所示。

按照GB/T3075－2008，使用Testronic100kN

－1

疲劳试验结束后，试样经打磨，抛光和腐蚀后，采

用ZEISSAxioScope．A1型光学显微镜观察显微组织，

并用ImageProPlus软件统计晶粒尺寸。采用ΣIGMA型扫描电镜观察疲劳断口形貌，并采用附带的能谱仪(EDS)对疲劳断口的微区成分进行分析。

2

2．1

试验结果与讨论

N曲线疲劳极限与S-

电磁共振型疲劳试验机进行高周疲劳试验，疲劳试

表1

6005A-T6铝合金挤压型材的化学成分(质量分数)

Chemicalcompositionof6005A-T6aluminumalloyextrudedprofiles(mass)

Si0．80

Mg0．50

Cu0．28

Mn0．22

Fe0．30

Cr0．08

Zn0．20

Ti＜0．1

Table1

%

Al余

由升降法试验得到的疲劳极限升降表如表3所

7

“×”示，表中表示试样未达到1．0×10周次时断裂，

7

“○”表示试样循环1．0×10周次时未断裂。由表3T6铝合金挤压型材在应力比为0．1计算得到6005A-下的中值疲劳强度为164．5MPa，疲劳强度较高;子样标准差较大，为47．5MPa，说明疲劳寿命分布较分散。

采用成组法对相同最大应力下6005A-T6铝合

表3

Table3

最大应力/有效子MPa

样对

6005A-T6铝合金挤压型材疲劳极限升降表

试验编号

Fatiguelimitliftingtableof6005A-T6aluminumalloyextrudedprofiles

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

33×

×

×

○

○

○

○

○

○

453435○

22×

180175170165160155150145140

423321221

×

○

○○

○

17

张岚，等:裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

金挤压型材试样的疲劳寿命进行统计(见表4)。

结合升降法得到的疲劳极限和成组法统计到的疲劳

T6铝合金挤压型材在应力比0．1下寿命，得到6005A-N曲线。由图2可知，的S-在较低的最大应力下，

6005A-T6铝合金挤压型材的疲劳寿命波动较大。

表4Table4

T6铝合金挤压型材试样的不同最大应力下6005A-疲劳寿命

Fatiguelivesof6005A-T6aluminumalloyextruded

疲劳寿命/周次

的试样为例，对其疲劳断口形貌进行观察。由图3可

以看出:具有不同疲劳寿命试样的疲劳断口均包括疲)和瞬断区(区劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区(区域Ⅱ

域Ⅲ)。疲劳裂纹源区的面积较小，位于试样的外表面;疲劳裂纹扩展区可以观察到明显的疲劳弧线，疲劳弧线是由于裂纹在扩展过程受到阻碍而不断改变

［10］

是疲劳速度和方向而产生的;瞬断区的面积较大，裂纹扩展到一定阶段后快速断裂的区域。疲劳寿命

1817811，229224周次时，为3987054，试样所对应10．0，10．5mm。可以发的瞬断区平均宽度分别为9．0，

现，瞬断区所占面积越大，疲劳寿命越短。

profilesemplesunderdifferentmaximumstresses

最大应力/MPa

240220200

24105673749，80661，80877，186867，

270989，333286，395819

229224，257152，1817811，2507270，3987054

图2

Fig．2

N曲线6005A-T6铝合金挤压型材的S-

图3最大应力200MPa下具有不同疲劳寿命试样的宏观断口形貌

Macrofracturemorphologyofsampleswithdifferentfatiguelivesunderthemaximumstressof200MPa

S-Ncurveof6005A-T6aluminumalloyextrudedprofiles

Fig．3

2．2疲劳断口形貌

2．2．1宏观形貌

2．2．2

以最大应力200MPa下疲劳寿命存在较大差异

微观形貌

由图4和图5可知:疲劳寿命为3987054周次

图4

Fig．4

最大应力200MPa下具有不同疲劳寿命试样疲劳裂纹源区的SEM形貌(a，c，e)atlowmagnificationand(b，d，f)athighmagnification

SEMmorphologyoffatiguecracksourceofsampleswithdifferentfatiguelivesunderthemaximumstressof200MPa:

18

张岚，等:裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

时，试样的疲劳裂纹源位于尺寸为12～20μm孔洞

处，孔洞较深且氧化严重;疲劳寿命为1817811周次劳寿命居于二者之间。

由图6可以看出:不同试样的疲劳裂纹扩展区均由宽度不同的疲劳条带和沿析出相颗粒萌生的二次裂纹组成，在疲劳条带上存在许多尺寸1～2μm的微小析出相颗粒。二次裂纹的产生可以降低导致主裂纹扩

［12］

展的应力，从而提高材料的疲劳裂纹扩展抗力。由图7可知，析出相颗粒C主要含铝、铁、硅元素，析出相颗粒D主要含铝、铁、硅、锰元素，推测这些析出相颗粒

［13］分别为Al5FeSi相或Al6(FeMnSi)相。

由图8可以看出，不同试样瞬断区都由形状不

时，疲劳裂纹源位于球状颗粒处，粒径在10μm左右，

［11］

该球状颗粒含铝、铁、铬等元素，应为Al7(CrFe)相，即该试样的疲劳裂纹在Al7(CrFe)第二相颗粒上萌生;疲劳寿命为229224周次时，试样的疲劳裂纹源

位于尺寸较大的颗粒处，尺寸在200μm左右，颗粒物尖端发生变形，且因在裂纹扩展过程中尖端发生应力集中而与基体产生明显的分离，该颗粒中的氧元素含量较高，还含有铝、硅元素，推测为Al2O3或SiO2氧化夹杂物。综上可知，疲劳裂纹源位于孔洞缺陷处试样的疲劳寿命最长，比疲劳裂纹源位于氧化夹杂物处试样的疲劳寿命延长一个数量级，疲劳裂纹源位于第二相颗粒处试样的疲

同、大小不一的孔洞和韧窝组成，在韧窝底部存在析

出相颗粒。疲劳寿命为3987054周次试样瞬断区中的韧窝尺寸最大，疲劳寿命为229224周次试样的韧窝尺寸最小。

图5

Fig．5

图4中疲劳裂纹源区不同位置的EDS谱

EDSspectrumatdifferentpointsoffatiguecracksourceshowninFig．4:(a)pointAand(b)pointB

图6

Fig．6

最大应力200MPa下具有不同疲劳寿命试样疲劳裂纹扩展区的SEM形貌

(c)atlowmagnificationand(d)athighmagnification

SEMmorphologyoffatiguecrackpropagationregionofsampleswithdifferentfatiguelivesunderthemaximumstressof200MPa:

图7

Fig．7

图6中疲劳裂纹扩展区不同位置的EDS谱

EDSspectrumatdifferentpointsoffatiguecrackprepagationregionshowninFig．6

19

张岚，等:裂纹源位置对6005A铝合金挤压型材高周疲劳寿命的影响

图8

Fig．8

最大应力200MPa下具有不同疲劳寿命试样瞬断区的SEM形貌

SEMmorphologyoftransientfractureregionofsampleswithdifferentfatiguelivesunderthemaximumstressof200MPa

显微组织、材料的疲劳寿命与材料的化学成分、

加工处理条件、表面状态、试样尺寸以及工作条件等因素有关。由于试验中所用试样取自同一批次铝合金型材，且生产工艺、表面处理方式、试样尺寸、疲劳加载条件等均相同，但疲劳寿命不同，因此需对试样的显微组织进行观察，结果如图9所示。经统计，1817811，229224周次时，疲劳寿命为3987054，试

［14］

17，18μm，样的平均晶粒尺寸分别为15，尺寸基本相

同。可知，晶粒尺寸不是造成试样疲劳寿命存在差异的原因。疲劳裂纹容易在材料内部的孔洞缺陷、第二相粒子和夹杂物等位置萌生。不同疲劳试样的裂纹源位置不同，这是造成疲劳寿命存在差异的主要原因。因此，减少铝合金孔洞缺陷与夹杂物数量、细化第二相颗粒是提高铝合金疲劳性能的有效途径。

图9

Fig．9

最大应力200MPa下具有不同疲劳寿命试样的显微组织

Microstructuresofsampleswithdifferentfatiguelivesunderthemaximumstressof200MPa

3结论

试样的疲劳寿命居于二者之间。

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(1)6005A-T6铝合金挤压型材在应力比为0．1

下的中值疲劳强度为164．5MPa，疲劳强度较高，疲

劳寿命分布较分散。

(2)在最大应力为200MPa条件下，具有不同疲劳寿命试样的疲劳断口均包括疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区;疲劳裂纹源区的面积较小，疲劳裂纹扩展区均由疲劳条带和二次裂纹组成，瞬断区的面积较大，均由孔洞和韧窝组成。

(3)在相同最大应力下，6005A-T6铝合金挤压型材的疲劳寿命存在差异的原因在于疲劳裂纹源位置的不同;在最大应力为200MPa条件下，疲劳裂纹源位于孔洞缺陷处试样的疲劳寿命最长，比疲劳裂纹源位于氧化物夹杂处试样的疲劳寿命延长一个数量级，疲劳裂纹源位于Al7(CrFe)第二相颗粒处

20

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