铝合金构件拉伸与疲劳断裂分析.pdf

第5 9 卷第l 期 2 0 07 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y2007 铝合金构件拉伸与疲劳断裂分析 张正贵1 ，一，曲家惠1 ，任传富2 ，黄涛1 ，王 福1 1 ．东北大学材料与冶金学院，沈阳 1 10 0 0 4 ； 2 ．沈阳大学材料科学系，沈阳 110 0 4 4 摘要在应力控制下，分析带有涂层的L Y l 2 C Z 铝合金构件疲劳断裂方式。结果表明，拉伸断裂和疲劳断裂位置和方式是 完全不同的。疲劳是在各个铆孔处均有裂纹萌生，但其中有一处发展为主裂纹，扩展距离较长，最后与其他裂纹汇合，最终导致在 铆孔位置疲劳断裂。而拉仲时是铆钉剪切断裂，铆孔完整，无破坏迹象。 关键词金属材料；铝合金；构件；疲劳断裂 中图分类号V 2 3 1 ．9 5 ，T G l 4 6 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 1 7 0 4 疲劳裂纹引起的断裂是飞机结构中一个最引人 注目的课题，在飞机的起飞和着路过程中，机体的主 要结构部件承受着交变载荷⋯1 。在静强度分析中， 可以根据构件所能承受的最大载荷来判断其静强度 是否足够，而疲劳破坏是一个累计损伤的过程，必须 关心实际构件在整个使用过程中各种影响因素。飞 机构件的疲劳失效是个多位损伤 M S D 的过程，裂 纹从多处萌生、扩展和连接，最终导致构件的断 裂[ 2 | 。 高强度铝合金是飞机结构中的主要结构材料， 国内外已进行了大量的研究，但对在涂层防护下的 铝合金腐蚀疲劳的研究起步较晚，相关研究报导也 不多[ 3 “J 。通过对各种条件下铝合金构件断裂方 式及其断口形貌进行观察和分析比较，研究与探讨 有机涂层下铝合金构件的腐蚀疲劳断裂方式。 1断裂方式及其分析 1 ．1 拉伸和疲劳断裂方式 采用的试样是如图l 所示的铆接件。拉伸试验 表明，在拉伸状态下的断裂方式为六个铆钉全部剪 切断裂，如图2 所示。而疲劳试验表明，构件在受到 轴向交变载荷作用时，断裂发生在板材的铆孔处，如 图3 所示，其断裂方式与拉伸时完全不同。 各试验条件下的结果表明，所有构件均从左侧 第一排铆钉孔处断裂。断裂发生在垂直于载荷的铆 孔直径处，裂纹从多个铆孔处萌生、长大和连接，是 收稿日期2 0 0 5 0 6 1 4 基金项目辽宁省教育厅科学研究计划资助项目 2 0 0 4 0 2 3 5 作者简介张正贵 1 9 6 4 一 ，男，山东临朐县人，副教授，硕士，主要 从事金属材料的疲劳及性能表征等方面的研究。 一个多裂纹结构。受疲劳载荷的构件，裂纹应萌生 于最大应力集中点，从构件的断裂方式可以看出，构 件存在多个应力集中点。图4 是构件的疲劳断裂照 片，可以看出构件都是从铆孔中间断开。 3 2 』J 一 。。I 。。- - 一上J _ { l { 一f 十 8 l1 6 皿予≤亭磷 图1 构件结构示意 F i g ．1 S c h e m eo fr i v e t e ds p e c i m e n 图2 构件静拉伸断裂照片 F i g ．2P h o t o g r a p h yo ff r a c t u r es p e c i m e n u n d e rs t a t i ct e n s i l et e s t 图3 疲劳断裂位置 F i g ．3 S i t eo ff a t i g u ef r a c t u r e 万方数据 】8 有色金属第5 9 卷 图4 疲劳断裂断口形貌照片 F i g ．4M a c r o s c o p i cf a t i g u ef r a c t o g r a p h yo fr i v e t e ds p e c i m e n 1 ．2 断裂方式分析 受静拉力与受疲劳载荷作用时的断裂部位和形 式完全不同。这是因为构件在静载荷作用下应力集 中不明显。根据拉伸试验结果，可以计算出断裂时 连接板在铆孔处所受的平均应力。 根据拉伸试验结果，按连接板的毛面积计算的 断裂强度为2 1 0 M P a 。构件铝板厚为t 2 r a m ，宽 为叫 4 8 r a m ，铝板毛截面积应为S 总 tX 训 4 8 2 9 6 m m 2 。铆孔所占的截面积应为S 铆孔 3X 4 2 2X1 ／2 2 1 ．2 1 6 ．8 m m 2 。连接板在 铆孔处的净截面积为S S 总一S 铆孔 9 6 1 6 ．8 7 9 ．2 m m 2 。铆孑L 处材料所受平均应力d 平均 9 6 2 1 0 ／7 9 ．2 2 5 4 ．5 M P a 。而根据试验的测量结果， L Y l 2 C Z 铝合金的抗拉强度为4 4 7 ．8 8M P a ，大于 D 平均。虽然在拉伸作用下，连接板在铆孔处存在应 力集中，但L Y l 2 C Z 铝合金属于塑性材料，因此在承 受静载荷时，可以不考虑应力集中的影响。铆钉材 料是L Y I O ，强度较低，构件在受拉力作用时，是所 有铆钉剪切断裂，而不是连接板断裂。 当构件受拉一拉循环载荷作用时，铆钉完好无损 而铝板从铆孔处断裂。在实际工程计算中，对于构 件，一般采用应力严重系数来代替应力集中系数。 应力严重系数表征孔边最大局部应力的大小，是一 个无量纲系数，仅受结构配置参数的影响，它反映了 结构疲劳品质的优劣。 应力集中系数K 。和挤压应力集中系数K 曲都 可以由有关应力集中的资料中直接查到。挤压分布 系数是考虑孔内侧不均匀挤压的影响，它与板和紧 固件材料、连接厚度与紧固件直径之比以及紧固件 的接头形式等因素有关，一般应由试验得到。孔边的 最大应力为式 1 所示，总的应力集中系数K 。。则 为式 2 所示，式中d 。。为参考应力，可取钉孔附近 毛面积的名义应力，见式 3 。 d 。。。 K ￡。P ／ 叫t K 曲‘△P 口／ d z 1 K f A lK 婀P ／ 叫f K f 6 A p 0 ／ d t ] ／a 。。 2 口。 P ／ 训。t 3 然而仅用总应力中集系数K ， 还不能很好地反 映构件的疲劳特性，因为它还取决于紧固件的形式 和装配形式。考虑了这些影响因素的总应力集中系 数就称为应力严重系数 S ．S ．F 。应力严重系数 S ．S ．F 可表示为式 4 ，式中d 一孔的表面状态系 数；p 一紧固件和连接板配合的填充系数。a 和p 一 般由试验确定，没有合适的试验数据时，可以粗略地 采用有关资料所列的数据。 S ．S ．F a 卢K m 口卢[ K 。。‘P ／ 叫 t K 曲△P 0 ／ d t ] ／盯。 4 由有关图表可查得相应的系数l _ 7 | ，a l 钻 孔 ，p 0 ．7 5 铆接 ，0 2 ．0 单剪 ，K 曲 1 ．2 6 d ／w 0 ．2 。旁路载荷为零，传递载荷为P ， S ．S ．F 0 ．9 0 ．7 5X[ P ／ d t 2 ．0 1 ．2 6 ] ／[ P ／ 5 d t j 8 ．5 。 一般铆接接头的理论应力集中系数为3 ．2 ，可 见应力严重系数比应力集中系数大几倍。而铆钉为 圆柱结构，其应力集中系数很小，在低剪切应力作用 下，不利于裂纹萌生。由于应力集中的作用，连接板 铆孔处应力最大。受疲劳载荷的构件，裂纹应萌生 于最大应力集中点。因此在铆孔处首先产生裂纹并 长大、连接最终导致连接板在铆孔处断裂。由理论 计算分析其断裂位置与试验结果是一致的，产生于 左侧第1 排铆钉处。 另外从图4 可看出，锥形铆孔表面可看到原始 加工痕迹，说明该处未受到磨损，和铆钉头未接触。 沉头铆钉连接由铆钉头提供的压力很小，不足以传 递载荷，这样载荷势必通过铆杆传递。在腐蚀环境 下，介质进入到铆孔后，在铆孔表面产生点蚀、晶间 腐蚀及缝隙腐蚀。由于点蚀和晶问腐蚀正好和孔的 几何应力集中重合，故加速固有敏感点裂纹萌生。 因此在应力及腐蚀介质的作用下，导致在垂直于疲 劳载荷的铆孑L 直径处裂纹萌生旧J 。 2疲劳断口的特征 2 ．1 空气中的疲劳断口特征 空气中材料最典型的疲劳微观断口特征是疲劳 辉纹。关于疲劳辉纹的形成，有多种解释，其中 L a i r d 的塑性钝化模型已被广泛接受L 9J 。该模型设 想在每个载荷循环中疲劳裂纹向前扩展一段距离是 由裂纹顶端塑性钝化引起的。在拉伸应力作用下， 裂纹顶端会由于双滑移而发生塑性钝化，该钝化过 程可使裂纹向前扩展一段与裂纹顶端张开位移具有 万方数据 第1 期张正贵等铝合金构件拉伸与疲劳断裂分析1 9 相同数量级的距离。如果远场应力变为压应力，那 么裂纹尖端会重新锐化，并在随后的拉伸过程中再 次钝化。压缩期间的裂纹闭合不能完全消除拉伸应 力造成的钝化，因而在随后的拉伸载荷作用下裂纹 会再向前扩展一段距离，一个疲劳循环中发生的这 种裂纹净扩展导致形成辉纹。这种疲劳辉纹是双滑 移的产物，称作延性辉纹。 图5 裂纹萌生处断口的低倍形貌 F i g ．5 F r a c t u r em a c r o g r a p ho fc r a c ki n i t i a t i o n 图5 是构件在空气中低放大倍数下的疲劳断口 形貌，可以明显看到裂纹是从垂直于拉伸应力的铆 孔直径处萌生，断口特征呈放射状，放射方向与裂纹 扩展方向相平行。 图6 空气中疲劳断口的微观形貌 F i g ．6M i c r o g r a p ho ff a t i g u ef r a c t u r es u r f a c e u n d e ra i rc o n d i t i o n 图6 是构件在空气中断口的微观形貌。从图6 可以看出，疲劳断口微观形貌是由很多凹凸的小平 面断片组成的，每个断片上均分布着疲劳断口的微 观形貌的精细结构即延性疲劳辉纹。这说明在空气 中涂层对构件的疲劳行为影响很小。构件的疲劳断 口与光滑件材料的断口是一样的。 参考文献 2 ．2 腐蚀疲劳断口的特征 进行了多种条件下的腐蚀疲劳试验，其裂纹萌 生处的低倍形貌如图7 所示。可以看出，不论是在 哪种腐蚀条件下以及在什么应力水平下进行疲劳试 验。裂纹萌生的部位基本上是一致的，均在结构本 身的应力集中点附近。这说明各种条件的改变只能 影响裂纹萌生的时间，从而引起疲劳寿命的改变，但 是对应力集中点的影响却不明显，各种条件下的腐 蚀只能加剧这种应力集中效应。 图7腐蚀疲劳裂纹萌生的低倍形貌 F i g ．7M a c r o g r a p h yo fc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o n 铆孑L 表面部位的点蚀坑底有沿晶裂纹，其扩展 方向沿厚度方向与轧向的扩展速率不同。由点蚀孔 内晶问腐蚀被侵蚀晶界孕育而生的初始C F 裂纹从 沿晶发展转变为穿晶发展，在动应力和铆孑L 内环境 介质的联合作用下，一方面经过点蚀孔后向两侧发 展。另一方面在点蚀孔底从沿晶发展的初始裂纹进 一步扩展成几条较大的穿晶裂纹，随着裂纹的扩展 在裂纹尖端处应力继续增大和集中，裂纹不断发展， 在主要受力学因素控制下，裂纹向点蚀孔两侧及孔 底同时迅速扩展，但由于裂纹在厚度方向和轧向上 受到的载荷不同在宏观上表现为椭圆形，直到与其 他裂纹汇合，最终导致构件失稳断裂。 3结论 试验所用构件的拉伸断裂和疲劳条件下的断裂 位置是不同的，主要是受力学因素的影响。裂纹均 起裂于板内侧，在轧向与厚度方向扩展极不平衡，最 后与其他裂纹汇合，最终导致疲劳断裂。 [ 1 ] S u r e s hS ．材料的疲劳[ M ] ．王中光等译．北京国防工业出版社，1 9 9 3 5 0 7 ． [ 2 ] G o r a n s o nUG ，M i l l e rM ．A g i n gj e tt r a n s p o r ts t r u c t u r a le v a l u a t i o np r o g r a m s [ C ] ／／AB e r k o v i t s ．A e r o n a u t i c a lF a t i g u ei nt h e E l e c t r o n i cE r a ．W a r l e u E n g i n e e r i n gM a t e r i a l sA d v i s o r yS e r v i c e s ，1 9 9 8 3 1 9 3 5 3 ． [ 3 ] 张波，张正贵，韩恩厚，等．L Y l 2 C Z 铝合金铆接联接件在3 ．5 ％N a C I 溶液中的腐蚀疲劳失效行为研究[ J ] ．金属学报， 2 0 0 0 ，3 6 8 8 4 2 8 4 6 ． [ 4 ] S e g e r f r o j dG ，B t o mAF ．F a t i g u eb e h a v i o ro fm e c h a n i c a lj o i n t s As t a t e - - o f t h e a r t o v e r v i e w [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h eS e v e n t hI n t e r n a t i o n a lF a t i g u e 1 m g r e s s ．V 0 1 ．1 ／4 ．B e i j i n g ，C h i n a ．1 9 9 9 4 1 5 6 ． [ 5 ] N e w m a nJCJr ，H a r r i sCE ，P i a s c i kRS ，e ta 1 ．M e t h o d o l o g yf o rp r e d i c t i n gt h eo n s e to fw i d e s p r e a df a t i g u ed a m a g ei nl a p 万方数据 2 0 有色金属第5 9 卷 6 7 8 9 s p l i c ej o i n t sa n ds t r u c t u r e [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h eS e v e n t hI n t e r n a t i o n a lF a t i g u eC o n g r e s s ．V 0 1 ．1 ／4 ．B e i j i n g ，C h i n a ，1 9 9 9 8 1 9 2 ． 刘一鸣，蒋军亮，山永寿．环境对有／无防护涂层结构疲劳性能的影响[ J ] ．航空学报，1 9 9 8 ，1 9 4 4 8 1 4 8 5 ． 吴富民．结构疲劳强度[ M ] ．西安西北工业大学出版社，1 9 8 5 1 6 7 1 6 9 ． 张正贵．连接件腐蚀疲劳性能的研究[ D ] ．沈阳东北大学，2 0 0 0 5 7 6 0 ． L a i r dC ，S m i t hGC ．C r a c kp r o p a g a t i o ni nh i g hs t r e s sf a t i g u e [ j ] ．P h i l o s o p h i c a lM a g a z i n e ，1 9 6 2 ，8 8 8 4 7 8 5 7 F r a c t u r eA n a l y s i so fA l u m i n u mA l l o yS p e c i m e nu n d e rT e n s i o na n dF a t i g u e Z H A N GZ h e n g - g u i l ～，Q u J i a ．h u i l ，R E NC h u a n ． 2 ，H U A N GT a 0 1 ，W A N GF u 2 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l s M e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sS c i e n c e ，S h e n y a n gU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef a t i g u ef r a c t u r em o d eo fL Y l 2 C Za l u m i n u ma l l o ys p e c i m e nw i t hc o a t i n gi si n v e s t i g a t e du n d e rs t r e s s c o n t r o lc o n d i t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i t ea n dm o d eo ff r a c t u r eu n d e rt e n s i o na n df a t i g u ea r ec o m p l e t e l y d i f f e r e n t ．U n d e rf a t i g u ec o n d i t i o n ，t h ec r a c k sa r ei n i t i a t e df r o me v e r yr i v e th o l e s ，b u to n eo ft h e s ec r a c k si s p r o p a g a t e dl o n g e ra n dd e v e l o p e di n t ot h em a i nc r a c k ，w h i c hf i n a l l yi sc o n v e r g e dw i t ho t h e rc r a c k sa n dl e a d st o t h ef a t i g u ef r a c t u r eo nt h er i v e th o l e s ．H o w e v e r ，s h e a rf r a c t u r eo c c u r so nt h er i v e t su n d e rt e n s i l ec o n d i t i o n ，t h e r i v e th o l e sa r ec o m p l e t ea n dn od a m a g ei So b s e r v e do nt h er i v e th o l e s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u ma l l o y ；s t r u c t u r a lp a r t ；f a t i g u ef r a c t u r e 上接第9 页，C o n t i n u e df r o mP ．9 S t r u c t u r ea n dC o r r o s i o nR e s i s t a n c eo fC h e m i c a lP l a t e dN i c k e lB a s eA l l o y s Y A NH o n g ，D UQ i a n g ，D E N GZ h i - f u K u n m i n gM e t a l l u r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，Y u n n a n6 5 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep r e p a r a t i o nf o rn i c k e l - b a s e da l l o y sc o a t i n ga si n s t i t u t i o no fe l e c t r o ．- p l a t i n gb r a s sc o a t i n go nQ 2 3 5s t e e l b a s eu s e di nm e t a lr u b b e rc o m p o u n dp r o d u c t si si n v e s t i g a t e d ．T h r e ec o a t i n g s ，N i 一3 ．0 3 ％P ，N i 一6 ．41 ％Pa n dN i 一 1 0 ．0 8 ％C u 一2 ．6 9 ％Pa r ep r e p a r e db ye l e c t r o l e s sn i c k e lp l a t i n gp r o c e s s ．t h eN i 一6 ．4 1 ％Pa n dN i 一1 0 ．0 8 ％C u 一 2 ．6 9 ％Pc o a t i n g sa r ea m o r p h o u sa l l o yc o a t i n g s ．a n dt h e i rc o r r o s i o nr a t ei nm e d i ao fs u l f u r i ca c i da n dh y d r o c h l o r i ca c i da r el o w e rt h a ne l e c t r o ．p l a t i n gb r a s sc o a t i n g ．T h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f t r i m e t a lN i 1 0 ．0 8 ％C u - 2 ．6 9 ％P a l l o yc o a t i n gi Sb e t t e rt h a nt h a to fb i a l l o yN i 一6 ．41 ％Pc o a t i n g ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c h e m i c a lp l a t i n g ；n i c k e l b a s e da l l o y ；s t r u c t u r e ；c o r r o s i o nr e s i s t a n c e 万方数据