含缺陷的<strong>Al-Si-Mg</strong>合金的疲劳性能和强度评估

doi:10.11901/1005.3093.2019.323

材料研究学报

2020, Vol. 34

Issue (1): 29-34 DOI: 10.11901/1005.3093.2019.323

研究论文

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含缺陷的Al-Si-Mg合金的疲劳性能和强度评估

易科尖¹,吴明泽¹,张继旺¹(

),闫军芳²,梅桂明¹,朱守东¹,苏凯新¹

1. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都 610031
2. 宝鸡保德利电气设备有限责任公司宝鸡 721000

Fatigue Properties and Strength Assessment for Al-Si-Mg Alloy via Test Samples with Artificial Defects

YI Kejian¹,WU Mingze¹,ZHANG Jiwang¹(

),YAN Junfang²,MEI Guiming¹,ZHU Shoudong¹,SU Kaixin¹

1. State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031, China
2. Bj-baodeli Electrical Equipment Corporation，Baoji 721000, China

引用本文:

易科尖,吴明泽,张继旺,闫军芳,梅桂明,朱守东,苏凯新. 含缺陷的Al-Si-Mg合金的疲劳性能和强度评估[J]. 材料研究学报, 2020, 34(1): 29-34.
Kejian YI, Mingze WU, Jiwang ZHANG, Junfang YAN, Guiming MEI, Shoudong ZHU, Kaixin SU. Fatigue Properties and Strength Assessment for Al-Si-Mg Alloy via Test Samples with Artificial Defects[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2020, 34(1): 29-34.

全文: PDF(3743 KB) HTML

摘要:

在高速铁路接触网支撑定位装置用Al-7Si-0.6Mg合金中引入不同尺寸的人工缺陷，进行旋转弯曲疲劳实验以定量研究缺陷尺寸对材料疲劳强度的影响，并建立了疲劳强度与缺陷尺寸之间的定量关系。结果表明：材料表面的人工缺陷尺寸越大，试样的高周疲劳强度的下降越大；材料表面尺寸小于370 μm的人工缺陷对其高周疲劳强度没有影响；在适用性条件范围内使用修正的Murakami公式能更加准确地评估Al-7Si-0.6Mg铝合金的高周疲劳强度和应力强度因子门槛范围。

关键词 ：金属材料, Al-7Si-Mg合金, 人工缺陷, 疲劳性能, 修正Murakami公式

Abstract：

Artificial defects of different size were introduced on rotary bending fatigue test samples of Al-7Si-0.6Mg Al-alloy, which is the desired material for the high-speed railway contact net support and positioning device. The influence of defect sizes on the fatigue strength of the alloy was examined via rotating bending fatigue machine, while the quantitative relationship between fatigue strength and defect size was established. The results show that the larger the artificial defect size, the greater the decrease of the high cycle fatigue strength of the sample. The artificial defect size of less than 370 μm has no effect on the high cycle fatigue strength of the alloy; The modified Murakami formula can be applied for more accurate evaluation of the high cycle fatigue strength and stress intensity factor threshold of Al-7Si-0.6Mg Al-alloy within the range of applicability conditions.

Key words： metallic materials Al-7Si-Mg alloy artificial defect fatigue performance modified Murakami formula

收稿日期: 2019-07-02

ZTFLH:

TU512.4

基金资助:国家自然科学基金(U1534209)

作者简介: 易科尖，男，1997年生，硕士生

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https://www.cjmr.org/CN/10.11901/1005.3093.2019.323 或 https://www.cjmr.org/CN/Y2020/V34/I1/29

表1 Al-7Si-0.6Mg系铸造合金化学成分(质量分数，%)

图1 旋转弯曲疲劳试样的形状和尺寸

图2 人工缺陷示意图

Serial number	Diameter=Depth(d=h)	Top angle( $θ$ )	$a r e a$
1	400	120°	370
2	600	120°	555
3	800	120°	740
4	1000	120°	925

表2 人工缺陷尺寸

图3 Al-7Si-Mg试样的S-N曲线

Serial number	$a r e a$ /μm	$σ 5 × 107$ /MPa	Reduction rate /%
1	370	80	0
2	555	75	6.25
3	740	70	12.5
4	925	60	25

表3 人工缺陷试样疲劳强度

图4 不同尺寸钻孔试样的疲劳断口

图5 370 μm钻孔试样的裂纹源对比

图6 光滑试样的裂纹源

Serial number	$a r e a$ /μm	$σ 5 × 107$ /MPa	$σ 107$ /MPa	$σ w$ /MPa	$σ 5 × 107 / σ w$	$σ 107 / σ w$
1	370	80	80	91.6	0.87	0.87
2	555	75	75	85.6	0.88	0.88
3	740	70	75	81.6	0.86	0.91
4	925	60	70	78.6	0.76	0.89

表4 Al-7Si-0.6Mg试样Ueno公式预测结果与试验结果对比

图7 含人工缺陷的Al-7Si-Mg合金试样的Kitagawa-Takahashi曲线

Serial number	$a r e a$ /μm	$σ 5 × 107$ /MPa	$σ w$ /MPa	$σ 5 × 107 / σ w$	Error/%
1	370	80	79.31	1.01	0.86
2	555	75	74.13	1.01	1.16
3	740	70	70.66	0.99	0.94
4	925	60	68.08	0.88	13.47

表5 含人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg试样修正公式预测结果与试验结果对比

Serial number	$a r e a$ /μm	$∆ K t h / M P a · m$	$∆ K M / M P a · m$	$∆ K U / M P a · m$
1	370	3.54	5.84(64.97%)	3.83(8.19%)
2	555	4.07	6.69(64.37%)	4.38(7.62%)
3	740	4.39	7.36(67.65%)	4.82(9.79%)
4	925	4.20	7.93(88.81%)	5.20(23.81%)

表6 含人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg试样∆Kth计算结果(括号内为预测误差)

图8 人工缺陷尺寸对∆Kth的影响

Serial number	$a r e a$ /μm	$∆ K t h$ / $M P a · m$	$∆ K t h' / M P a · m$	Error /%
1	370	3.54	3.52	0.56
2	555	4.07	4.03	0.98
3	740	4.39	4.44	1.14
4	925	4.20	4.78	13.81

表7 试验计算∆Kth与修正预测公式预测结果对比

[1]	Fan Y H， Liu S H， Wang Y， et al． Application of ENAC-AlSi7Mg0.6 aluminium alloy for railway contact network [J]． Hot Working Technology， 2015, (7)： 108
[1]	(范玉虎，刘少鸿，汪勇等．铁路网用ENAC-AlSi7Mg0.6铝合金的应用研究 [J]．热加工工艺， 2015(7)： 108)
[2]	Qi G F． Thought on increasing reliability of PDL catenary [J]． China Railway， 2005， (09)： 29
[2]	(戚广枫．提高客运专线接触网可靠性的思考 [J]．中国铁路， 2005， (09)： 29)
[3]	Huo W S． Analysis on the damage and influence of alternating stress on contact net equipment and parts [A]． Selected Works of the Excellent Academic Papers of the 2007 Academic Activities of the Henan Railway Society [C]． 2007, (7)： 391
[3]	(霍文森．浅析交变应力对接触网设备、零部件的破坏及影响 [A]．河南省铁道学会2007年学术活动月优秀论文选集 [C]． 2007, (7)： 391)
[4]	Liu Y Q， Jie W Q， Wang S N， et al． Investigation of rotating bending gigacycle fatigue properties of Al-7Si-0.3Mg alloys [J]． Chinese Journal of Materials Research， 2012， 26(3)： 284
[4]	(刘永勤，介万奇，王善娜等． Al-7Si-0.3Mg铸造合金的旋转弯曲疲劳性能研究 [J]．材料研究学报， 2012， 26(3)： 284)
[5]	Zhu Z Y， He G Q， Ding X Q， et al． Low cycle fatigue behavior of cast aluminum alloy ZL101 under multi-axial loading [J]． The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2007， 17(6)： 916
[5]	(朱正宇，何国求，丁向群等．多轴载荷下ZL101铝合金的低周疲劳行为 [J]．中国有色金属学报， 2007， 17(6)： 916)
[6]	Atxaga G， Pelayo A， Irisarri A M．Effect of microstructure on fatigue behaviour of cast Al-7Si-Mg alloy [J]． Materials Science & Technology， 2013， 17(4)： 446
[7]	Jiang X S， He G Q， Liu B， et al． Microstructure-based analysis of fatigue behaviour of Al-Si-Mg alloy [J]． Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2011， 21(3)： 443
[8]	Jiang X S， He G Q， Liu B， et al． Fatigue behavior and microstructure evolution of Al-Mg-Si alloy under constant and variable amplitude loadings [J]． Rare Metal Materials & Engineering， 2010， 39(3)： 459
[9]	Jiang X S， He G Q， Liu B， et al． Fatigue characteristics and microcosmic mechanism of Al-Si-Mg alloys under multiaxial proportional loadings [J]． International Journal of Minerals， Metallurgy and Materials， 2011， 18(4)： 437
[10]	Jiang H， Bowen P， Knott J F．Fatigue performance of a cast aluminium alloy Al-7Si-Mg with surface defects [J]． Journal of Materials Science， 1999， 34(4)： 719
[11]	Lados D A， Apelian D．Fatigue crack growth characteristics in cast Al-Si-Mg alloys：Part I．Effect of processing conditions and microstructure [J]． Materials Science & Engineering A， 2004， 385(1)： 200
[12]	Lados D A， Apelian D．Fatigue crack growth characteristics in cast Al-Si-Mg alloysPart II．Life predictions using fatigue crack growth data [J]． Materials Science & Engineering A， 2004， 385(1)： 187
[13]	Wu M Z， Zhang J W， Zhang Y B， et al． Effects of Mg Content on the Fatigue Strength and Fracture Behavior of Al-Si-Mg Casting Alloys [J]． Journal of Materials Engineering and Performance， 2018， 27(11)： 5992
[14]	Murakami Y， Metal Fatigue：Effects of small defects and nonmetallic inclusions [J]. Materials and Corrosion：2003， 54(3)： 198
[15]	Ueno A， Nishida M， Miyakawa S， et al．Fatigue limit estimation of aluminum die-casting alloy by means of area method [J]． Journal of the Society of Materials Science， 2014， 63(12)： 844
[16]	Ueno A， Nishida M， Miyakawa S， et al． ΔKth estimation of aluminum die-casting alloy by means of area method [J]． Recent Advances in Structural Integrity Analysis-Proceedings of the International Congress (APCF/SIF-2014， 2014： 99

[1]	毛建军, 富童, 潘虎成, 滕常青, 张伟, 谢东升, 吴璐. AlNbMoZrB系难熔高熵合金的Kr离子辐照损伤行为[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 641-648.
[2]	宋莉芳, 闫佳豪, 张佃康, 薛程, 夏慧芸, 牛艳辉. 碱金属掺杂MIL125的CO₂ 吸附性能[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 649-654.
[3]	赵政翔, 廖露海, 徐芳泓, 张威, 李静媛. 超级奥氏体不锈钢24Cr-22Ni-7Mo-0.4N的热变形行为及其组织演变[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 655-667.
[4]	邵鸿媚, 崔勇, 徐文迪, 张伟, 申晓毅, 翟玉春. 空心球形AlOOH的无模板水热制备和吸附性能[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 675-684.
[5]	幸定琴, 涂坚, 罗森, 周志明. C含量对VCoNi中熵合金微观组织和性能的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 685-696.
[6]	欧阳康昕, 周达, 杨宇帆, 张磊. 含LPSO相Mg-Y-Er-Ni合金的组织和拉伸性能[J]. 材料研究学报, 2023, 37(9): 697-705.
[7]	徐利君, 郑策, 冯小辉, 黄秋燕, 李应举, 杨院生. 定向再结晶对热轧态Cu71Al18Mn11合金的组织和超弹性性能的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(8): 571-580.
[8]	熊诗琪, 刘恩泽, 谭政, 宁礼奎, 佟健, 郑志, 李海英. 固溶处理对一种低偏析高温合金组织的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(8): 603-613.
[9]	刘继浩, 迟宏宵, 武会宾, 马党参, 周健, 徐辉霞. 喷射成形M3高速钢热处理过程中组织的演变和硬度偏低问题[J]. 材料研究学报, 2023, 37(8): 625-632.
[10]	由宝栋, 朱明伟, 杨鹏举, 何杰. 合金相分离制备多孔金属材料的研究进展[J]. 材料研究学报, 2023, 37(8): 561-570.
[11]	任富彦, 欧阳二明. g-C₃N₄ 改性Bi₂O₃ 对盐酸四环素的光催化降解[J]. 材料研究学报, 2023, 37(8): 633-640.
[12]	王昊, 崔君军, 赵明久. 镍基高温合金GH3536带箔材的再结晶与晶粒长大行为[J]. 材料研究学报, 2023, 37(7): 535-542.
[13]	刘明珠, 樊娆, 张萧宇, 马泽元, 梁城洋, 曹颖, 耿仕通, 李玲. SnO₂ 作散射层的光阳极膜厚对量子点染料敏化太阳能电池光电性能的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(7): 554-560.
[14]	秦鹤勇, 李振团, 赵光普, 张文云, 张晓敏. 固溶温度对GH4742合金力学性能及γ' 相的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(7): 502-510.
[15]	刘天福, 张滨, 张均锋, 徐强, 宋竹满, 张广平. 缺口应力集中系数对TC4 ELI合金低周疲劳性能的影响[J]. 材料研究学报, 2023, 37(7): 511-522.

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