含缺口铝合金不同载荷下疲劳寿命分析.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.11.030含缺口铝合金不同载荷下疲劳寿命分析姚双虎（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）摘要 研究铝合金轻型材料的疲劳寿命以及持久极限,为产品的设计提供疲劳性能指标是极其重要的。按相关标准规定将铝合金型材加工成标准试样,然后使用电火花切割预制缺口,在准静态拉伸机上进行静态拉伸实验获得材料的基本力学性能参数，然后使用 MTS 疲劳实验机，根据所获得的基本力学性能参数对含缺口试样进行不同载荷下的疲劳实验。分析结果发现,随着载荷的下降疲劳寿命增加，但其增速变慢。关键词 5052-H32 铝合金;缺口;疲劳寿命;不同载荷 中图分类号 TG146.2+1；U465 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)11-0150-03引用格式：姚双虎.含缺口铝合金不同载荷下疲劳寿命分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):150-152.Fatigue life analysis of notched aluminum alloy under different loadsYAO Shuanghu(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract It is very important to study the fatigue life and endurance limit of aluminum alloy light materials and provide fatigue performance indicators for product design.The aluminum alloy profiles were processed into standard samples according to the relevant standards,and then the notches were cut by EDM.The basic mechanical properties of the materials were obtained by static tensile test on a quasi-static tensile machine.Then,using MTS fatigue testing machine,according to the obtained basic mechanical property parameters,fatigue tests were carried out on notched specimens under different loads.Through the analysis results,it was found that the fatigue life increased with the decrease of load.However,with the decrease of load,the fatigue life increased slowly.Key words 5052-H32 aluminum alloy;notch;fatigue life;different loads0 引言随着时代的发展，铝合金材料被广泛应用于汽车、航空、航天、船舶等各个行业1。铝合金作为轻型材料可以更好地节能减排2，但是疲劳破坏会造成铝合金部分功能失效。对铝合金材料零部件而言，达到疲劳寿命会使零部件损坏甚至引起更大的事故，因此铝合金的疲劳寿命研究成为重点；同时由于很多铝合金零部件都是不规则的，所以研究含有缺口试样的疲劳寿命很有必要，尤其当铝合金材料处于不同工况时，其疲劳性能存在很大差异3。王旭亮4研究发现疲劳破坏是机械零件和工程构件最常见的失效形式，总结很多事故都是由疲劳损伤引起的；何金超5准确分析了尺寸效应缺口结构强度对疲劳寿命的影响；张沛等6研究了缺口对铝合金棒材拉伸性能的影响，发现缺口使 7A04铝合金棒材纵向抗拉强度提高了，但是塑性明显降低；虞忠良等7研究缺口对 TC21 合金高周和低周疲劳的影响，发现当循环应力升高后，缺口使得疲劳寿命下降。此外，某一材料的疲劳寿命除了受自身材料的影响外，不同工况对其疲劳寿命影响也是极其大的。因此本文研究了在不同载荷下含预制缺口的 5052-H32 铝合金疲劳实验，对含有缺口的试样施加不同的疲劳载荷，然后对疲劳断裂的试样进行 CT 扫描，对得出的实验结果进行了分析与讨论。1 材料与制备1.1 材料准备实验采用 5052-H32 铝合金轧制片，5052 铝合金属于一种 Al-Mg 合金，具有较高的强度以及抗蠕变和耐腐蚀能力，同时具有较好的冷加工性和良好的成形加工和焊接性能。5052-H32 铝合金的力学性能和化学成分如表 1、表 2 所示。表 1 5052-H32 铝合金的力学性能表 Tab.1 Mechanical properties of 5052-H32 aluminum alloy抗拉强度 B/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/%维氏硬度 HV2382146102收稿日期：2022-10-31151第 61 卷第 11 期表 2 5052-H32 铝合金的化学成分表（质量分数%）Tab.2 Chemical composition of 5052-H32 aluminum alloy(wt%)SiFeCuMnMgZnTiCrAl0.0460.180.0080.0042.50.0080.0190.2971.2 试样加工将 5052-H32 铝合金试样加工成中间有一缺口的哑铃形状，如图 1 所示。为不影响疲劳性能，缺口采用火花加工，厚度和宽度分别为 2、10 mm。中间处做缺口并且切口深度为 2 mm。材料的持久极限还与冷热加工方式、试样表面粗糙度及温度条件密切相关，应力循环特征不同材料的持久极限也不同，产品设计时要考虑这些因素的影响。该试样由一块轧制板材进行线切割获得，切割之后试样表面使用砂纸和氧化铝粉进行抛光得到镜面。2 拉伸实验与疲劳实验2.1 实验设备实验采用 WSM 电子万能实验机，如图 2 所示，电子万能实验机最大拉伸力为 100 kN，实验速率为 0.05500 mm/min，位移精度可达 0.005。材料疲劳试验机 MTS 如图 3 所示，该设备最大行程达到600 mm，最大静态加载力为 200 kN，加载频率为0.0011 000 Hz。实验设备控制参数如表 3 所示。表 3 MTS 控制参数表Tab.3 MTS control parameters实验温度实验加载方式压力比实验频率/Hz室温正弦波形0.1202.2 实验方案为了获取试样的基本力学性能参数，在疲劳实验之前，需对试样进行静态力学实验。基本力学性能参数包括：弹性模量、屈服强度、抗拉强度。根据GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 实施指南，本次实验在室温下进行，采用恒定位移速率控制方式，以 V=0.2 mm/min 匀速拉伸，为确保实验结果的可靠性，进行 3 组拉伸实验取平均值。首先根据 MTS 疲劳试验机的夹具位置以及试样大小在试样上标注好所要夹持的位置，确保上下两端夹持位置对称以减少实验误差。因为铝合金是轻质材料，所以夹具的夹持力要适当调小。根据金属室温拉伸实验中试样所承受最大拉力的 60%作为第 1 组疲劳实验施加的载荷，然后依次下降进行不同载荷的疲劳实验。实验载荷谱为正弦波，轴向加载，每个应力载荷下分别取 3 个试样以减少实验误差。疲劳实验方案如表 4 所示。表 4 疲劳实验方案表Tab.4 Fatigue test scheme施加载荷/kN1.61.41.21.0频率/Hz202020203 实验结果分析3.1 金属室温拉伸实验结果表 5 为含缺口试件准静态拉伸下的基本力学性能，同时由图 4 可得含有缺口的 5052-H32 铝合金试样所能承受的最大力约为 2.6 kN，与没有缺口的试样相比有较大下降。表 5 准静态拉伸结果表Tab.5 Quasi static tension results弹性模量 E 抗拉强度 Rm 上屈服强度 ReH 下屈服强度 ReL23 7021301221210 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4位移/mm3 3333 0302 7272 4242 1211 8181 5151 2129096063030力/N图 4 含缺口 5052-H32 试样力-位移图Fig.4 Force displacement diagram of 5052-H32 specimen with notch图 2 WSM 电子万能试验机Fig.2 WSM electronic universal testing machine图 3 MTS 疲劳试验机Fig.3 MTS fatigue tester图 1 试样尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of sample size4040R20151021402单位:mm姚双虎：含缺口铝合金不同载荷下疲劳寿命分析152农业装备与车辆工程 2023 年3.2 不同载荷疲劳实验结果图 5 为 1.6 kN 载荷下疲劳实验后的试样形态，不同载荷下含缺口试样的疲劳寿命如图 6 所示。3.3 CT 扫描获取疲劳试样信息CT 扫描是一种计算机分析摄影，又称计算机断层扫描技术，它结合先进电子计算机和 X 射线检测技术，由探测器发出探测信号，检测到衰减的投射能量，然后将接收到的信号数据结合图像重建算法得到断层图像。在扫描过程中，X 射线束集中在一个特定区域，围绕被测试样 360旋转扫描，并且拍摄图片，拍摄分辨率可达 3 m，系统的成像质量高并且稳定性强，能够很好地还原疲劳试样的疲劳裂纹和疲劳缺陷的实际形态。在通过 CT 扫描获取试样内部的 TIF 图像后，将其导入商业图像处理软件 VG 进行后处理。使用非局部平均滤波器去除白噪声，滤波后通过交互阈值模块划分缺口裂纹区域以及裂纹区域附近的缺陷数据。图 7 为 1.6 kN 载荷下疲劳试样达到疲劳寿命后的 CT 扫描数据处理图。可以看出在预制的缺口处产生疲劳裂纹，但是疲劳裂纹不是在缺口最中间产生的；同时在缺口所在的轴向位置看出疲劳过程让试样产生了一定的塑性变形，在疲劳裂纹附近产生的孔洞缺陷较少，而在缺口轴向附近位置产生了较多的孔洞缺陷。4 结论（1）在最大拉伸应力 60%的载荷下，含缺口的 5052-H32 试样的疲劳寿命只有 15 000 次；载荷为 1.4、1.2、1.0 kN 时，试样的疲劳寿命分别为34 000、75 000、140 000 次；（2）载荷按等差额下降时，含缺口的 5052-H32 试样的疲劳寿命增加，但是随着载荷下降其疲劳寿命的增速变慢。具体而言，载荷从 1.6 kN 下降到 1.4 kN 时，试样的疲劳寿命增加了约 2.3 倍；但是当载荷从 1.2 kN 下降到 1.0 kN 时，试样的疲劳寿命增加了约 1.86 倍。参考文献1 白颐,马捷,乔冰,等.化工新材料应用于我国汽车轻量化的机会 分析-赴德国赢创工业集团考察的启示 J.化学工业,2018,36(01):43-472 杜行.新型材料和工艺在汽车轻量化中的应用 J.科技创新与应 用,2019,(05):148-150.3 轩福贞,朱明亮,王国彪结构疲劳百年研究的回顾与展望 J.机 械 工程学报,2021,57(6):26-514 王旭亮.不确定性疲劳寿命预测方法研究 D.南京:南京航空航天大学,2009.5 何金超.尺寸效应下缺口结构强度分析与概率疲劳寿命预测D.成都:电子科技大学,2021.6 张沛,张利民.缺口对铝合金棒材拉伸性能的影响 J.机械工人:热加工,2006(12):72-73.7 虞忠良,赵永庆,周廉,等.缺口对 TC21 合金高周和低周疲劳的影响 J.稀有金属材料与工程,2007,36(9):1523-1526.作者简介 姚双虎（1996-），男，硕士研究生，研究方向：车辆工程、汽车零部件疲劳损伤与轻量化。E-mail：图 5 1.6 kN 载荷下疲劳试样形态Fig.5 Morphology of fatigue specimen under 1.6 kN load1.0 1.2 1.4 1.6载荷/kN150 000100 00050 0000疲劳寿命/次图 6 含缺口 5052-H32 试样不同载荷下疲劳寿命Fig.6 Fatigue life of 5052-H32 specimen with notch under different loads图 7 1.6 kN 载荷下疲劳试样的 CT 扫描图Fig.7 CT scan of fatigue specimen under 1.6 kN load