含缺陷的Al-Si-Mg合金的疲劳性能和强度评估

doi:10.11901/1005.3093.2019.323

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 Jiwang^,¹, 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

通讯作者: 张继旺，副研究员，zhangjiwang@swjtu.cn，研究方向为材料和结构的疲劳和断裂

责任编辑: 黄青

收稿日期: 2019-07-02 修回日期: 2019-09-12 网络出版日期: 2020-01-16

基金资助:

国家自然科学基金. U1534209

Corresponding authors: ZHANG Jiwang, Tel: (028)87600843, E-mail:zhangjiwang@swjtu.cn

Received: 2019-07-02 Revised: 2019-09-12 Online: 2020-01-16

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China. U1534209

作者简介 About authors

易科尖，男，1997年生，硕士生

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.

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

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本文引用格式

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. 材料研究学报[J], 2020, 34(1): 29-34 DOI:10.11901/1005.3093.2019.323

YI Kejian, WU Mingze, ZHANG Jiwang, YAN Junfang, MEI Guiming, ZHU Shoudong, SU Kaixin. Fatigue Properties and Strength Assessment for Al-Si-Mg Alloy via Test Samples with Artificial Defects. Chinese Journal of Materials Research[J], 2020, 34(1): 29-34 DOI:10.11901/1005.3093.2019.323

Al-7Si-Mg合金的密度低、铸造流动性好、成本低，且具有良好的耐腐蚀性、力学性能和疲劳性能，可用于制造汽车发动机机体、缸盖、变速箱和高速铁路接触网支撑定位装置^[1]。近年来，用于高速铁路接触网支撑定位装置中的Al-Si-Mg合金疲劳失效引发的弓网事故时有发生，危害高速铁路的安全运行^[2,3]。为了提高Al-Si-Mg合金的服役可靠性，必须对其疲劳性能进行深入研究。刘永勤^[4]等在旋转弯曲疲劳实验中发现，铸造铝合金在高应力和低应力区的主要裂纹源分别是表面缺陷和内部铸造孔洞，并使用Paris公式研究了疲劳寿命与孔洞尺寸的关系，计算出不同应力水平下的临界孔洞尺寸；朱正宇^[5]等在Al-Si-Mg合金的多轴载荷疲劳试验中发现，随着等效应变幅的提高，这种铝合金的多轴低周疲劳寿命降低；Atxaga^[6]等在A356合金的旋转弯曲疲劳实验中发现，铸造缺陷导致实验结果较大的离散性，合金疲劳寿命不仅受铸造缺陷的影响也受缺陷数量、尺寸、位置等的影响；Jiang^[7,8,9]等在基于微观组织特征对Al-Si-Mg合金的疲劳行为实验中发现，位错密度随着应力幅值的增大而提高，且Mg₂Si强化相和二次硅相使位错运动遇到了强大阻力；Jiang^[10]等研究表面有凹坑或表面粗糙度较低的Al-Si-Mg合金时发现，试样表面的粗糙度影响Al-Si-Mg合金的疲劳行为；Lados^[11,12]等研究了晶粒尺寸、二次枝晶臂间距、Al-Si共晶相数量、初生铝相、热处理效应及残余应力对Al-Si-Mg合金疲劳裂纹扩展的影响，并基于实验数据预测了合金的疲劳寿命；Wu^[13]等研究Mg含量对Al-Si-Mg合金疲劳性能的影响时发现，Mg含量的提高能延缓裂纹萌生和增大裂纹扩展的阻力，从而提高合金疲劳强度。本文进行高速铁路接触网支撑定位装置中使用的Al-7Si-0.6Mg系铸造合金的疲劳实验，研究人工缺陷尺寸对其疲劳破坏行为和疲劳强度的影响。

1 实验方法

实验用材料为Al-7Si-Mg系铸造合金，其化学成分列于表1。将重力铸造的棒状坯料进行T6热处理。热处理后的材料抗拉强度为313 MPa，屈服强度为264 MPa，杨氏模量为73.6 GPa，硬度为127HV。

表1 Al-7Si-0.6Mg系铸造合金化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical composition of Al-7Si-0.6Mg casting alloy (mass fraction, %)

Alloy	Si	Mn	Fe	Cu	Ni	Zn	Ti	Mg	Cr	Al
Al-7Si-0.6Mg	7.05	0.0019	0.151	<0.0050	0.0092	0.0068	0.193	0.561	0.029	Bal.

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图1给出了不含人工缺陷的光滑疲劳试样。使用自制人工缺陷导入装置在试样最小横截面处钻孔引入圆孔型人工缺陷，人工缺陷的示意图如图2所示。使用直径从400 μm到1000 μm的钻头引入不同尺寸的人工缺陷，每个人工缺陷的直径和深度相等。尺寸梯度和实际情况下的缺陷等效尺寸( $\sqrt[]{a r e a}$ )列于表2。

图1

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图1 旋转弯曲疲劳试样的形状和尺寸

Fig.1 Rotary bending fatigue specimen shape and size (mm)

图2

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图2 人工缺陷示意图

Fig.2 Artificial defect schematic

表2 人工缺陷尺寸

Table 2 Artificial defect size (μm)

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

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使用旋转弯曲疲劳试验机进行室温疲劳试验，应力比 $R = - 1$ 、试验频率为50 Hz。当循环周次达到5×10⁷仍不发生疲劳失效时终止试验，使用扫描电镜(SEM)分析疲劳断裂试样的断口。

2 实验结果和讨论

2.1 疲劳试验数据

图3给出了Al-7Si-Mg试样的S-N曲线。由于有表面人工缺陷，钻孔试样的S-N数据点处于Al-7Si-0.6Mg母材试样的左下方。在中高应力水平区域内，所有钻孔试样的疲劳寿命均略短于光滑试样；在100 MPa应力下555 μm钻孔试样的寿命略高于母材试样，这是实验结果的离散性所致；在低应力水平区间内钻孔试样和母材试样的疲劳寿命差距显著，在80 MPa应力水平下母材试样的疲劳寿命已达到5×10⁷周次且仍没有失效，但是钻孔试样的疲劳寿命仍处于10⁶周次数量级。循环5×10⁷周次的试样，其疲劳强度列于表3。

图3

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图3 Al-7Si-Mg试样的S-N曲线

Fig.3 S-N curves of Al-7Si-Mg sample

表3 人工缺陷试样疲劳强度

Table 3 Artificial defect sample fatigue strength

Serial number	$\sqrt[]{a r e a}$ /μm	$σ_{5 \times 10^{7}}$ /MPa	Reduction rate /%
1	370	80	0
2	555	75	6.25
3	740	70	12.5
4	925	60	25

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从表3可见，随着人工缺陷尺寸的增大材料的疲劳强度在逐步降低。含925 $μ m$ 人工缺陷的钻孔试样的疲劳强度为60 MPa，相比母材已降低25%；740 $μ m$ 、555 $μ m$ 缺陷钻孔试样的疲劳强度分别为70、75 MPa，分别降低了12.5%、6.25%；而370 $μ m$ 缺陷钻孔试样的疲劳强度与母材相同，没有降低。

2.2 疲劳断口

为了分析失效试样的破坏行为，用扫描电镜(SEM)对试样断口进行观察。图4a给出了925 $μ m$ 钻孔试样在70 MPa应力水平下的疲劳断口，其形貌分为裂纹萌生区(a)、裂纹稳定扩展区(b)和瞬断区(c)。

图4

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图4 不同尺寸钻孔试样的疲劳断口

Fig.4 Drilled specimen fatigue fracture in different sizes (a) 925 μm drilled specimen–70 MPa stress level; (b) 370 μm drilled specimen–90 MPa stress level

除了部分370 μm钻孔试样，其余钻孔试样的失效是人工缺陷萌生的裂纹引起的。而如图4b所示的370 μm钻孔试样，在断口中有两个裂纹源，但是未发现人工缺陷。进一步详细观察(图5a)发现，在人工缺陷处的确萌生了裂纹，即图4b中左上角裂纹。但是缺陷并未处于断口上，说明最终引起失效的裂纹并不是在人工缺陷处萌生。高倍观察发现，最终引起疲劳失效的萌生区如图5b所示。在试样次表层有一处铸造缺陷(气孔)，尺寸约为 $\sqrt[]{a r e a} = 308 μ m$ 。在铸造缺陷和试样表面之间观察到滑移平台，说明铸造缺陷引起了局部应力集中，诱发了它与试样表面之间微观组织的晶体滑移，萌生了疲劳裂纹并导致了最终的失效。此外，光滑试样在90 MPa应力水平下发生破坏时的裂纹源，如图6所示。属于气孔的缺陷处于试样次表面，等效尺寸约为 $\sqrt[]{a r e a} = 435.4 μ m$ 。由此可知，与光滑试样相比较，为了使材料的疲劳极限进一步降低，在试样表面引入的人工缺陷尺寸应该大于370 μm。

图5

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图5 370 μm钻孔试样的裂纹源对比

Fig.5 Comparison of crack source of 370 μm drilled specimen: (a) artificial defect crack source; (b) section crack source

图6

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图6 光滑试样的裂纹源

Fig.6 Crack source of smooth specimen

2.3 缺陷尺寸对疲劳强度的影响

当试样的疲劳失效由材料缺陷引起时，缺陷尺寸对疲劳强度有较大的影响。为了量化缺陷尺寸对疲劳强度的影响，Murakami教授提出根据试样缺陷尺寸( $\sqrt[]{a r e a}$ )和维氏硬度预测其疲劳强度 $σ_{w}$ ^[14]。根据上述两个参数，含表面缺陷的试样其疲劳强度为

σ_{w} = \frac{1.43 (H V + 120)}{{(\sqrt[]{a r e a})}^{1 / 6}}

(2)

其中 $σ_{w}$ 为疲劳强度(MPa)，HV为维氏硬度(kgf/mm²)， $\sqrt[]{a r e a}$ 为缺陷等效尺寸(μm)。但是Ueno根据铝合金的疲劳试验结果发现，使用公式(1)预测铝合金的疲劳强度结果偏危险。因此，他基于对Murakami公式的修正^[15]，针对铝合金材料提出经验公式

σ_{w} = \frac{1.43 (H V + 45)}{{(\sqrt[]{a r e a})}^{1 / 6}}

(2)

本文基于公式(2)得到的预测结果，如表4所示。

表4 Al-7Si-0.6Mg试样Ueno公式预测结果与试验结果对比

Table 4 Comparison of predicted results and experimental results of Ueno formula for Al-7Si-0.6Mg samples

Serial number	$\sqrt[]{a r e a}$ /μm	$σ_{5 \times 10^{7}}$ /MPa	$σ_{10^{7}}$ /MPa	$σ_{w}$ /MPa	$σ_{5 \times 10^{7}} / σ_{w}$	$σ_{10^{7}} / σ_{w}$
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

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使用Ueno修正公式(2)预测的疲劳强度( $σ_{w}$ )与实验结果( $σ_{10^{7}}$ )之差超过10%。另外，从表4也可以看出，使用公式(2)预测的疲劳强度( $σ_{w}$ )大于试验得到的疲劳强度( $σ_{5 × 10^{7}}$ )。其原因是，经验公式(2)是基于JIS ADC12铝合金材料在10⁷循环周次下的疲劳强度提出的。这意味着，当循环周次为10⁷时Ueno就停止了试验，并将 $σ_{10^{7}}$ 作为修正公式的数据依据^[14,15]；而对于铝合金，当循环周次超过10⁷时材料仍可发生疲劳失效。

为了使经验公式更适用于Al-Si-Mg铝合金材料，更满足实际工程应用对铝合金高周疲劳强度的要求，基于含表面人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg试样的疲劳试验结果( $σ_{5 × 10^{7}}$ )，有必要重新拟合Kitagawa-Takahashi曲线以修正式(2)。图7给出了人工钻孔试样的Kitagawa-Takahashi曲线，可见缺陷的尺寸严重影响材料的疲劳强度。

图7

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

Fig.7 Kitagawa-Takahashi curve of Al-7Si-Mg alloy sample with artificial defects

随着表面人工缺陷尺寸的减小，材料的疲劳强度 $σ_{5 × 10^{7}}$ 提高。当尺寸减小到约为483 μm时曲线开始饱和，可将拟合得到的483 μm视为缺陷尺寸临界值。由此可知，公式(2)的预测结果高于疲劳试验结果，且在实际工程应用中10⁷的疲劳寿命已不能满足使用的要求。因此，为了准确预测5×10⁷周次下的疲劳强度( $σ_{5 × 10^{7}}$ )，必须修正公式(2)。根据表4和图7的结果，将公式(2)修正为

σ_{w} = \frac{1.43 (H V + 22)}{{(\sqrt[]{a r e a})}^{1 / 6}}

(3)

公式(3)不仅满足文献14和文献15中的规律，也与本文的实验数据吻合得很好。

表5给出了用修正公式(3)预测的 $σ_{w}$ 与试验得到的 $σ_{5 × 10^{7}}$ 对比结果。当缺陷尺寸小于或等于740 μm时公式(3)的预测结果比较准确；而缺陷尺寸等于925 μm时预测结果与试验结果的差已超过10%。这表明，公式(3)预测925 μm表面人工缺陷试样的疲劳强度是非保守的。在文献14和文献15的工作中也出现过类似现象，即预测公式有一个使用临界值。公式(1)的临界值为1000 μm，而公式(2)的临界值为1400 μm。在本文的实验中，由于试验材料数量的限制没有进行更大缺陷尺寸试样的疲劳实验。但是，根据表5中的结果能确定这个临界值应不小于740 μm、不大于925 μm。因此，应该给公式(3)附加一个适用性条件，即 $\sqrt[]{a r e a} ≤ 740 μ m$ 。

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

Table 5 Comparison of prediction results of modified formulas of Al-7Si-0.6Mg samples with artificial defects and experimental results

Serial number	$\sqrt[]{a r e a}$ /μm	$σ_{5 \times 10^{7}}$ /MPa	$σ_{w}$ /MPa	$σ_{5 \times 10^{7}} / σ_{w}$	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

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2.4 缺陷尺寸对 $∆ K_{t h}$ 的影响

Murakami等的研究结果表明，在研究人工缺陷或夹杂物对材料疲劳性能的影响时，可将试样中的人工缺陷或夹杂物等效为疲劳裂纹^[14]。针对长度大于1 mm的疲劳裂纹，当应力比R为定值时材料的 $∆ K_{t h}$ 是定值。但是，当裂纹长度减小时 $∆ K_{t h}$ 并不是定值，而与疲劳裂纹的长度有关。Murakami针对几种钢铁材料进行了大量试验并参考了其他众多学者的研究结果，提出用维氏硬度HV和缺陷等效尺寸 $\sqrt[]{a r e a}$ 预测 $∆ K_{t h}$ 的经验公式^[14]。对于 $\sqrt[]{a r e a} < 1000 μ m$

∆ K_{t h} = 3.3 × 10^{- 3} (H V + 120) {(\sqrt[]{a r e a})}^{\frac{1}{3}}

(4)

式中 $∆ K_{t h}$ 为应力强度因子门槛值( $M P a · \sqrt[]{m}$ )。但是，Ueno认为Murakami提出的经验公式在一定程度上高估了有色金属的 $∆ K_{t h}$ 并对Murakami经验公式进行了修正^[16]，对于 $\sqrt[]{a r e a} ≤ 1400 μ m$

∆ K_{t h} = 3.3 × 10^{- 3} (H V + 35) {(\sqrt[]{a r e a})}^{\frac{1}{3}}

(5)

∆ K_{t h} = 0.65 ∆ σ_{5 × 10^{7}} \sqrt[]{π \sqrt[]{a r e a}}

(6)

根据公式(4)和(5)得到的结果，如表6和图8所示。其中 $∆ K_{t h}$ 由式(6)得到， $∆ K_{M}$ 由Murakami预测公式(4)计算得到， $∆ K_{U}$ 由Ueno预测公式(5)计算得到。对于表面缺陷试样，Murakami公式预测的结果偏差较大。除925 μm试样外，用Ueno公式预测的偏差较小，但是预测结果都比试验计算结果大。考虑到公式(4)和(5)均由10⁷循环周次对应疲劳强度拟合得出，因此需针对铝合金5×10⁷循环周次疲劳试验结果修正 $∆ K_{t h}$ 公式。基于本文的疲劳试验数据，为了使修正公式预测结果较为准确，将公式(4)和公式(5)修正为

∆ K_{t h} = 3.3 × 10^{- 3} (H V + 22) {(\sqrt[]{a r e a})}^{\frac{1}{3}}

(7)

表6 含人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg试样 $∆ K_{t h}$ 计算结果(括号内为预测误差)

Table 6 $∆ K_{t h}$ calculation results for Al-7Si-0.6Mg samples with artificial defects (predicted error in parentheses)

Serial number	$\sqrt[]{a r e a}$ /μm	$∆ K_{t h} / M P a \cdot \sqrt[]{m}$	$∆ K_{M} / M P a \cdot \sqrt[]{m}$	$∆ K_{U} / M P a \cdot \sqrt[]{m}$
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%)

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图8

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图8 人工缺陷尺寸对 $∆ K_{t h}$ 的影响

Fig.8 Effect of artificial defect size on $∆ K_{t h}$

表7列出了试验计算结果( $∆ K_{t h}$ )与修正公式(7)预测结果( $∆ K_{t h}^{'}$ )对比。从表7可见，当缺陷尺寸小于等于740 μm时修正公式(7)的预测结果比较准确，但是对925 μm试样预测误差偏大。这表明，修正公式(7)也有一个缺陷尺寸的适用性条件，与公式(3)的适用性条件相同。

表7 试验计算 $∆ K_{t h}$ 与修正预测公式预测结果对比

Table 7 Comparison of experimental calculations $∆ K_{t h}$ and revised prediction formula prediction results

Serial number	$\sqrt[]{a r e a}$ /μm	$∆ K_{t h}$ / $M P a \cdot \sqrt[]{m}$	$\begin{array}{l} ∆ K_{t h}^{'} \\ / M P a \cdot \sqrt[]{m} \end{array}$	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

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3 结论

(1) 循环周次为5×10⁷时，Al-7Si-0.6Mg铝合金925 $μ m$ 人工缺陷试样的疲劳强度比母材降低25%，740 $μ m$ 、555 $μ m$ 人工缺陷试样分别降低12.5%、6.25%，370 $μ m$ 人工缺陷试样的疲劳强度与母材相同。材料表面人工缺陷的尺寸越大，其高周疲劳强度的下降程度也越大。

(2) 使用修正的Murakami公式在适用性条件范围内能更准确地评估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。