圖 1 疲勞試樣的形狀和尺寸
Figure 1. Shape and dimension of fatigue specimen
分享：A380鋁合金的高周與超高周疲勞性能及失效機制
0. 引 言
A380鋁合金作為一種應用十分廣泛的鋁合金材料，具有易于加工、導熱性好、抗高溫開裂性好等特點，常用于制造引擎支架、變速箱、動力工具及各類軸等需要長時服役的關鍵設備及零部件[1-5]。A380鋁合金在服役過程中常受到循環載荷作用，疲勞是最主要的失效形式，通常其疲勞壽命達到或超過1×107周次，屬于超高周疲勞。一旦鋁合金零部件發生疲勞失效，將導致整個結構或者機械系統發生嚴重故障，影響裝備的正常運行。因此，研究A380鋁合金的超高周疲勞行為，分析其壽命概率分布特點，對于保障A380鋁合金關鍵零部件正常工作，避免疲勞失效的發生具有重要的意義。
目前，針對A380鋁合金疲勞失效行為已經開展了部分研究。XUE等[6]提出了一種A380鋁合金的多階段疲勞壽命分析模型，并提出微觀小裂紋萌生階段占總疲勞壽命的60%～80%。LUMLEY等[7]研究發現，時效處理對于提高A380鋁合金的疲勞性能具有顯著效果。KHISHEH等[8]探討了熱處理工藝對A380鋁合金高周彎曲疲勞性能的影響，并研究了應力控制循環載荷下的斷裂行為。目前，A380鋁合金超高周疲勞失效的研究尚未深入開展，其超高周疲勞行為與疲勞壽命概率分布尚不明確，仍需進一步探索。因此，作者對A380鋁合金開展不同應力幅條件下的超聲疲勞試驗，采用Weibull分布模型與Basquin模型構建了A380鋁合金的存活率-應力幅-疲勞壽命（P-S-N）曲線，分析了失效機制，以期為實際工程中A380鋁合金結構件的設計與維護提供理論和試驗依據。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為壓縮機傳動軸用A380鋁合金，密度為2.77 g·cm−3，由動態法測得其動態彈性模量為76.6 GPa，化學成分（質量分數/%）為3～4Cu，7.5～9.5Si，≤0.1Mg，≤2Fe，≤3Zn，≤0.5Mn，≤0.5Ni，≤0.35Sn，余Al。通過靜力拉伸試驗測得A380鋁合金的屈服強度為169 MPa，抗拉強度為337 MPa，斷面收縮率為4.57%。
按照GB/T 43896—2024《金屬材料 超高周疲勞試驗 超聲試驗法》，在A380鋁合金上截取如圖1所示的疲勞試樣，采用USF-2000型超聲疲勞試驗系統進行超聲疲勞試驗，試驗加載頻率為2×104 Hz，采用對稱循環載荷，應力比R為−1，應力幅為92～152 MPa，應力幅間隔為12 MPa，載荷波形為正弦波，最大循環周次設為1×109周次。在室溫下進行試驗，使用冷卻空氣噴吹冷卻，以防止試驗過程中試樣過熱。
2. 試驗結果與討論
2.1 疲勞壽命分布
由圖2可知：A380鋁合金在循環加載1×107周次時的疲勞極限為114 MPa，循環加載1×109周次時的疲勞極限為92 MPa；當應力幅不低于128 MPa時，大部分試樣發生高周疲勞失效，小部分試樣發生超高周疲勞失效（疲勞壽命大于1×107周次）；而當應力幅小于128 MPa時，試樣均發生超高周疲勞失效。在高周疲勞失效與超高周疲勞失效轉變的位置，A380鋁合金的應力幅-疲勞壽命分布趨勢并未出現明顯變化，隨應力幅的增加，疲勞壽命整體呈連續降低趨勢。A380鋁合金的應力幅-疲勞壽命存在概率分布特點，因此使用P-S-N曲線對其進行定量描述。選用Weibull分布[6]作為應力幅一定條件下A380鋁合金疲勞壽命概率分布模型，選取Basquin模型[9-11]作為概率一定條件下A380鋁合金S-N曲線的基礎模型，Basquin模型可表示為
圖 2 A380鋁合金的疲勞壽命分布及P-S-N曲線
Figure 2. Fatigue life distribution and P-S-N curves of A380 aluminum alloy
式中：S為應力幅；Nf為疲勞壽命；a，b為與A380鋁合金相關的材料參數，需要根據試驗數據進行擬合獲得。
根據試驗數據分別計算出不同應力幅條件下A380鋁合金的疲勞壽命存活率，選取相同存活率的應力幅與疲勞壽命組成數據組。應用Basquin模型擬合A380鋁合金的P-S-N曲線，具體的曲線擬合結果如下：
根據P-S-N曲線擬合結果，可以推斷出A380鋁合金在50%存活率，1×107，1×108，1×109周次下的條件疲勞強度分別為131，115，100 MPa，在95%存活率下則分別為110，97，85 MPa。由圖3可以看出：隨著疲勞壽命按1個數量級遞增，A380鋁合金的條件疲勞強度基本呈線性趨勢下降，且不同存活率下的下降趨勢基本一致。
圖 3 存活率50%與95%下A380鋁合金的條件疲勞強度隨疲勞壽命的變化曲線
Figure 3. Curves of conditional fatigue strength vs fatigue life of A380 aluminum alloy at 50% and 95% survival rates
2.2 疲勞斷口形貌
由圖4和圖5可以看出：A380鋁合金高周疲勞斷口的裂紋擴展區與瞬斷區之間界線不明顯，且斷口四周出現了多個類似瞬斷區的位置；疲勞裂紋源位于試樣表面，裂紋源附近區域存在微孔狀缺陷與二次裂紋；裂紋擴展區存在明顯的韌窩和平面狀斷口特征，這與準解理斷裂中的韌窩及小解理平面特征十分相似，因此推斷A380鋁合金的高周疲勞斷裂類型為準解理斷裂。
圖 4 A380鋁合金在應力幅140 MPa下的高周疲勞斷口形貌（Nf=8.24×105周次）
Figure 4. High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =8.24×105 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region
圖 5 A380鋁合金在應力幅128 MPa下的高周疲勞斷口形貌（Nf =1.57×106周次）
Figure 5. High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf =1.57×106 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region
由圖6可以看出：在應力幅140 MPa下，A380鋁合金斷口中出現了魚眼區以及其中的粒狀亮面（GBF）區，這是超高周疲勞失效的典型特征。魚眼區的邊界不是很清晰，這是因為此時試樣的疲勞裂紋源位于試樣內部，距試樣表面較遠，在疲勞裂紋擴展過程中應力強度因子和疲勞裂紋擴展速率的變化都相對平穩，使得魚眼區形貌與其他區域形貌接近，邊界清晰度下降。同時，斷口中的GBF區可觀察到凹坑狀內部缺陷。
圖 6 A380鋁合金在應力幅140 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =1.9×107周次）
Figure 6. Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =1.9×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of GBF area
由圖7可以看出：在應力幅128 MPa下，超高周疲勞斷口中疲勞裂紋擴展區與瞬斷區分界明顯，裂紋主要起源于表面，向試樣的另一側擴展，近表面疲勞裂紋擴展的路徑上還出現了二次凹坑狀缺陷；在疲勞裂紋擴展區觀察到撕裂棱、韌窩等典型的準解理斷裂特征。
圖 7 A380鋁合金在應力幅128 MPa下的超高周疲勞斷口特形貌（Nf =1.6×107周次）
Figure 7. Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf = 1.6×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology near crack initiation
由圖8可以看出，在應力幅116 MPa下，A380鋁合金超高周疲勞斷口中也出現了由內部起裂引起的魚眼區，這與應力幅140 MPa下的超高調疲勞斷口特征基本一致。由于疲勞裂紋源距試樣表面較遠疲勞，疲勞斷口中的魚眼區邊界也不清晰。GBF區也觀察到了類似凹坑的缺陷。疲勞裂紋以沿晶擴展為主，以微孔為中心向四周擴展而形成撕裂棱及臺階狀特征，同時伴有少量穿晶斷裂產生的二次裂紋以及類解理小平面特征，這表明A380鋁合金超高周疲勞斷裂以準解理斷裂為主，與文獻\$[8]\$所得到的結論基本一致。
圖 8 A380鋁合金在應力幅116 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =7.8×107周次）
Figure 8. Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 116 MPa (Nf =7.8×107 cycles): (a) overall morphology; (b) inside morphology of GBF area; (c) micropores and tearing edge in fish-eye area and (d) secondary cracks and stepped morphology in fish-eye area
由圖9可以看出：在應力幅104 MPa下超高周疲勞斷口存在多個起源于試樣表面的裂紋源，裂紋源附近的近表面區存在微孔、疏松等內部缺陷。試驗材料A380鋁合金為壓鑄成形所得，其中不可避免地存在疏松、微孔等缺陷，而這些缺陷會引起鋁合金疲勞失效。
圖 9 A380鋁合金在應力幅104 MPa下的超高周疲勞斷口形貌（Nf =1.17×108周次）
Figure 9. Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 104 MPa (Nf =1.17×108 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of micropores and loose
3. 結 論
（1）A380鋁合金的應力幅-疲勞壽命呈連續下降型分布，使用Weibull模型和Basquin模型構建了A380鋁合金的P-S-N曲線模型，并得到存活率50%和95%下的S-N曲線公式。
（2）A380鋁合金在50%存活率下1×107，1×108，1×109周次的條件疲勞強度分別為131，115，100 MPa，在95%存活率下1×107，1×108，1×109周次的條件疲勞強度分別為110，97，85 MPa。隨著疲勞壽命的增加，條件疲勞強度基本呈線性趨勢下降，且不同存活率下的下降趨勢基本一致。
（3）A380鋁合金的高周疲勞裂紋源位于試樣表面，斷口中存在小解理平面及韌窩，斷裂類型為準解理斷裂。超高周疲勞失效包括裂紋源位于表面的疲勞失效與裂紋源位于內部的疲勞失效，其中：裂紋源位于表面的疲勞失效特征與高周疲勞失效相似；裂紋源位于內部的疲勞失效斷口存在 GBF 區與魚眼區，同時還存在韌窩、撕裂棱、微孔等準解理特征，疲勞斷裂以準解理斷裂為主。
文章來源——材料與測試網
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