摘 要:采用疲勞裂紋擴展試驗、掃描電鏡準原位觀察等方法,研究了不同粉塵(揚塵和煤塵)顆粒 對7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴展行為的影響機理。結(jié)果表明:在應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強度因子范圍小于 18MPa·m 1/2 的裂紋擴展階段,揚塵和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率明顯低于空氣環(huán) 境下,且煤塵顆粒環(huán)境下的裂紋擴展速率最低,這是由于煤塵顆粒的尺寸明顯大于揚塵顆粒,加劇裂 紋閉合效應(yīng)所致;隨著應(yīng)力比增至0.5后,粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率與空氣環(huán)境下的差異 減小,這與裂紋閉合效應(yīng)隨應(yīng)力比增加而弱化有關(guān);粉塵顆粒增加了裂紋閉合間隙,促進裂紋閉合效 應(yīng),同時導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生大量的滑移帶以及微裂紋,極大消耗擴展能量,從而降低裂紋擴展速率。

  關(guān)鍵詞:揚塵;煤塵;鋁合金;疲勞裂紋擴展速率;裂紋閉合效應(yīng) 

中圖分類號:TN146.21                                           文獻標志碼:A                                           文章編號:1000-3738(2022)08-0075-08

0 引 言 

7N01-T6 鋁 合 金 具 有 密 度 小、比 強 度 高 和 成 形性好等優(yōu) 點,廣 泛 應(yīng) 用 在 軌 道 交 通 領(lǐng) 域[1]。隨 著高鐵運行速度的不斷提高以及運營里程的不斷增加,鋁合金構(gòu)件面臨的服役環(huán)境越來越復(fù)雜,對 構(gòu)件的疲勞性能提出了越來越苛刻的要求[2]。因 此,復(fù)雜環(huán)境 下 鋁 合 金 構(gòu) 件 的 疲 勞 損 傷 行 為 是 目 前學(xué)者研 究 的 焦 點。前 期 研 究 人 員 主 要 對 溫 度、 濕度、腐蝕介 質(zhì) 等 環(huán) 境 因 素 對 鋁 合 金 疲 勞 性 能 的 影響展 開 了 系 統(tǒng) 研 究[3]。研 究[4]表 明:低 溫 環(huán) 境 會提高鋁合金的裂紋擴展門檻值并降低疲勞裂紋 擴展速率,鋁 合 金 的 疲 勞 壽 命 隨 著 溫 度 的 降 低 而 明顯增加;高 溫 環(huán) 境 會 提 高 鋁 合 金 中 位 錯 的 可 動 性,從而顯著降低鋁合金的疲勞強度[5-6]。環(huán)境濕 度越大,鋁合金的疲勞性能越差,這主要是因為水 氣中的氫原 子 容 易 擴 散 到 鋁 合 金 裂 紋 尖 端 區(qū) 域, 誘導(dǎo)氫脆的發(fā)生[7]。鹽霧等腐蝕介質(zhì)會導(dǎo)致鋁合 金表面形成腐蝕坑,造成局部應(yīng)力集中問題,加快 疲勞裂紋的擴展[8-10]。 

課題組的前期研究[11]發(fā)現(xiàn),環(huán)境中的粉塵顆粒 很容易通過吸附等方式聚集在鋁合金裂紋表面,并 對疲勞裂紋擴展行為產(chǎn)生影響。當(dāng)應(yīng)力比為0.1、 應(yīng)力強度因子范圍 ΔK 為10 MPa·m 1/2 時,鋁合 金在氧化鋁顆粒作用下的裂紋擴展速率比空氣環(huán)境 下降低了60% [12],而在石墨顆粒作用下的裂紋擴展 速率則增加了近一倍[13]。眾所周知,列車在實際運 行過程中經(jīng)常會穿過富含揚塵的城郊、富含煤塵的 礦區(qū)等典型粉塵環(huán)境。這些粉塵顆粒的結(jié)構(gòu)不同, 對鋁合金構(gòu)件的疲勞行為也可能造成顯著不同的影 響。但是,目前有關(guān)不同粉塵顆粒對鋁合金疲勞擴 展行為影響的研究還鮮有報道。為此,作者選取了 揚塵和煤塵2種典型的粉塵顆粒,研究了這些粉塵 顆粒對7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴展行為的影響, 以期為軌道交通鋁合金構(gòu)件的服役安全提供理論 支撐。

1 試樣制備與試驗方法 

試驗材料為厚度8.0mm 的7N01-T6鋁合金板, 由**鋁業(yè)公司提供,其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為 4.34Zn,1.94Mg,0.24Cr,0.2Cu,余 Al,其室溫抗拉強 度為387.0MPa,屈服強度為340.5MPa,斷后伸長率 為10.0%,彈性模量為72.3GPa。試驗用揚塵和煤塵 顆粒分別從城郊某工地和煤礦區(qū)附近采集,并將采集 的粉塵放入干燥箱進行干燥處理。

采用 MasterSizer2000型激光粒度分析儀對粉 塵顆粒的粒徑進行分析,激光電源功率為10mW,測 定波長為633nm,測試范圍為0.02~2000μm。利 用 D8Advance型 X射線衍射儀(XRD)對粉塵顆粒進行 物 相 分 析,工 作 電 壓 為 35kV,工 作 電 流 為 40mA,掃描速率為8(°)·min -1,步長為0.01°。按 照 GB/T6398-2017在 MTS-Landmark型高頻疲 勞試驗機上進行疲勞裂紋擴展試驗,試驗裝置如圖 1(a)所示,采用 COD 規(guī)測量疲勞裂紋尖端開口位 移,采 用 緊 湊 型 C(T)拉 伸 試 樣,試 樣 厚 度 為 8.0mm,具體形狀和尺寸如圖1(b)所示;加載波形 為正弦波,頻率為10Hz,應(yīng)力比為0.1和0.5;裂紋 的長 度 及 應(yīng) 力 強 度 因 子 范 圍 根 據(jù) GB/T6398- 2017通過柔度法獲得。粉塵顆粒用聚氯乙烯膜包 裹在 C(T)試樣的裂紋擴展區(qū)域中,使顆粒充分地 進入裂紋中,如圖1(c)所示。利用掃描電鏡準原位 觀察方法對不同粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展行 為進行觀察,所用準原位觀察試樣的厚度為2mm, 并在試樣一側(cè)預(yù)制了一條長0.5mm 的缺口作為裂 紋源,具體尺寸如圖2所示。在不同粉塵顆粒環(huán)境 下進行一定周次的疲勞試驗后,利用 SU3500型掃 描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋擴展形貌,直至 試樣斷裂。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粉塵顆粒的微觀形貌和物相組成 

由圖3可以看出,2種粉塵顆粒的粒徑均呈近似 正態(tài)分布特征,揚塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別 為28,56μm。研究[14-15]表明,空氣中顆粒物的大小 常用空氣動力學(xué)直徑來表示,其粒徑范圍為0.01~ 100μm,這與實際粉塵粒徑測試結(jié)果相吻合。 

由圖4可以看出,揚塵顆粒和煤塵顆粒均呈塊 狀,顆粒尺寸在5~50μm 之間,其中揚塵顆粒的平 均尺寸小于煤塵顆粒。

由圖5可以看出:2種粉塵顆粒的物相均十分復(fù) 雜,其中揚塵顆粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8) 和CaMg(CO3)2 等 物 相,而 煤 塵 顆 粒 中 主 要 存 在 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8 )、K[Al4Si2O9 (OH)3 ]、 Al2(Si2O5)(OH)4 和CaMg(CO3)2 等物相。

2.2 鋁合金的裂紋擴展速率曲線 

由圖6可以看出,應(yīng)力比0.1條件下鋁合金的 疲勞裂紋擴展速率曲線包括疲勞裂紋萌生階段(第 I階段)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段(第Ⅱ階段)、疲勞 裂紋快速擴展階段(第Ⅲ階段)。隨著應(yīng)力強度因子 范圍的增加,疲勞裂紋擴展速率單調(diào)遞增。在應(yīng)力 強度因子范圍小于18 MPa·m 1/2 的裂紋擴展階段, 揚塵顆粒和煤塵顆粒能明顯降低鋁合金的疲勞裂紋 擴展速率。當(dāng)應(yīng)力強度因子范圍約為10 MPa·m 1/2 時,揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速 率比空氣環(huán)境下分別降低了24.5%和45.1%。當(dāng) 疲勞裂紋進入快速擴展階段,即應(yīng)力強度因子范圍大于23MPa·m 1/2 時,鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞 裂紋擴展速率差異減小。

由圖7可以看出,與應(yīng)力比0.1條件下相比, 應(yīng)力比0.5條件下鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞裂 紋擴展速率 較 大,這 是 因 為 在 相 同 應(yīng) 力 強 度 因 子 范圍下,應(yīng)力比的增加會弱化裂紋閉合效應(yīng)[16],從 而增大有效應(yīng)力 強 度 因 子 范 圍(ΔKeff),使 裂 紋 更 容易擴展。在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強度因子范圍小 于6 MPa·m 1/2 的裂紋擴展階段,揚塵顆粒和煤塵 顆粒環(huán)境下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率低于空氣 環(huán)境下,當(dāng) 應(yīng) 力 強 度 因 子 范 圍 約 為 10 MPa·m 1/2 時,揚塵顆粒 和 煤 塵 顆 粒 環(huán) 境 下 的 疲 勞 裂 紋 擴 展 速率相近,相 比 空 氣 環(huán) 境 下 分 別 降 低 了 10.1% 和 11.9%,明顯小于應(yīng)力比為0.1時的降低幅度。當(dāng) 應(yīng)力強度因子范圍大于13 MPa·m 1/2 時,3種環(huán)境 下的疲勞裂 紋 均 進 入 快 速 擴 展 階 段,其 疲 勞 裂 紋 擴展 速 率 的 離 散 性 明 顯 增 大 且 差 異 性 變 得 不 明顯。 

2.3 鋁合金的疲勞斷口形貌 

由圖8和表1可知:在應(yīng)力比為0.1、應(yīng)力強度 因子范圍約為10 MPa·m 1/2 條件下,鋁合金在空氣 環(huán)境下的疲勞斷口表面平坦,無明顯雜質(zhì),斷口表面 的疲勞輝紋間距為0.70μm,并且在部分斷面區(qū)域 出現(xiàn)了大量的微坑和破裂的第二相粒子;揚塵顆粒 和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口表面分別附著大量揚 塵顆粒和煤塵顆粒,在這2種環(huán)境下的疲勞輝紋間 距分別為0.63,0.42μm,均小于空氣環(huán)境下。 

由圖9可以看出:在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強度因 子范圍約為10 MPa·m 1/2 條件下,鋁合金在空氣 環(huán)境下的疲勞斷口表面有許多微坑,疲勞輝紋間距 為0.67μm;揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下疲勞斷口 表面分別分布了許多揚塵顆粒和煤塵顆粒,疲勞輝 紋間距分別為0.55,0.51μm。

2.4 鋁合金疲勞裂紋擴展的準原位形貌 

由圖10可以看出:經(jīng)7117周次加載后,鋁合 金在空氣環(huán)境下的疲勞裂紋近似鋸齒狀,部分鋸齒 狀裂紋處的上下斷面出現(xiàn)了明顯的提前閉合現(xiàn)象, 造成上 下 斷 面 出 現(xiàn) 了 約 0.89μm 的 裂 紋 閉 合 間 隙[17],同時裂紋尖端存在規(guī)則的平行滑移帶和微裂 紋;疲勞加載次數(shù)增加至7874周次后,在原裂紋尖 端(圖中圓圈)處主裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn),并且產(chǎn)生了一 定的平行滑移帶和少量微裂紋,隨著裂紋長度的增 加,裂紋閉合間隙增加至1.10μm。當(dāng)加載7954周 次后,裂紋貫穿試樣,試樣斷裂。

由圖11可以看出:鋁合金在煤塵顆粒環(huán)境下加 載7839周次時的裂紋閉合間隙為1.02μm,且在裂 紋尖端出現(xiàn)了許多不規(guī)則的滑移帶;加載8693周 次后,主裂紋上出現(xiàn)2處長約25.3μm 和34.4μm 的裂紋分支,裂紋中存在大量煤塵顆粒,這些顆粒能 有效增強閉合效應(yīng),此時裂紋閉合間隙達到1.37μm; 加載9210周次后,裂紋尖端附近的不規(guī)則滑移帶 和微裂紋增多,導(dǎo)致裂紋的擴展路徑相比空氣環(huán)境 更加曲折。

由圖12可以看出:鋁合金在揚塵顆粒環(huán)境下加 載8482周次后的裂紋中存在明顯的揚塵顆粒,增 加了裂紋閉合效應(yīng),此時裂紋閉合間隙達到1.15μm; 加載8688周次后,在揚塵顆粒環(huán)境下的裂紋尖端存 在大量的滑移帶痕跡,此時裂紋閉合間隙為1.28μm; 加 載9510周次后,雖然疲勞裂紋擴展已經(jīng)進入后 期快速擴展階段,但此時揚塵顆粒仍可明顯增加裂 紋閉合程度,裂紋閉合間隙約為3.46μm,并且裂紋尖端附近產(chǎn)生了大量滑移帶和微裂紋,使裂紋擴展路 徑變得更為曲折。 

在理想的情況下,疲勞裂紋擴展速率取決于裂 紋尖端的應(yīng)力強度因子范圍(ΔK =Kmax-Kmin,其 中 Kmax 和 Kmin 分別為疲勞加載過程中裂紋尖端的 最大應(yīng)力強度因子和最小應(yīng)力強度因子[18])。在實 際疲勞裂紋擴展過程中,裂紋總是在裂紋尖端應(yīng)力 強度 因 子 大 于 Kmin 時 就 發(fā) 生 提 前 閉 合。大 量 研 究[19]表明,由于接觸表面之間存在明顯的摩擦力, 裂紋在裂紋尖端應(yīng)力強度因子達到 Kop(裂紋面接 觸時的應(yīng)力強度因子)處會發(fā)生提前閉合。學(xué)者們 普 遍認為疲勞裂紋在閉合后不會發(fā)生擴展,因此裂 紋的擴展取決于 ΔKeff(ΔKeff=Kop-Kmin)。在空 氣 環(huán)境中,裂紋上下斷面較大的粗糙度造成了裂紋的提前閉合,使得上下斷面間出現(xiàn)裂紋閉合間隙。 當(dāng)裂紋的總長度接近時,揚塵顆粒、煤塵顆粒環(huán)境下 的裂紋閉合間隙明顯大于空氣環(huán)境,說明在揚塵顆 粒和煤塵顆粒作用下,裂紋更早閉合,即揚塵顆粒和 煤塵顆粒可有效提高疲勞裂紋的閉合程度,從而抑 制裂紋的擴展。此外,在相同環(huán)境下,煤塵顆粒環(huán)境 下的疲勞裂紋擴展速率略低于揚塵顆粒環(huán)境,這可 能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明顯大于揚塵顆粒從 而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。2種粉塵顆粒進入裂 紋中后,會影響裂紋尖端的應(yīng)力分布,使裂紋附近產(chǎn) 生更多的不規(guī)則滑移帶和由不規(guī)則滑移帶引發(fā)的微 裂紋/裂紋分叉[12]。隨著加載過程的進行,微裂紋 最終擴展為裂紋分支,導(dǎo)致主裂紋偏轉(zhuǎn),并極大地消 耗擴展能量,從而降低裂紋擴展速率。

3 結(jié) 論 

(1)揚塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別為 28,56μm,揚塵顆粒的平均尺寸小于煤塵顆粒,揚 塵顆 粒 主 要 含 有 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8 )和 CaMg(CO3 )2 等 物 相,而 煤 塵 顆 粒 中 主 要 存 在 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9 (OH)3]、 Al2(Si2O5)(OH)4 和 CaMg(CO3)2 等物相。 

(2)在 應(yīng) 力 比 0.1、應(yīng) 力 強 度 因 子 范 圍 小 于 18MPa·m 1/2 的裂紋擴展階段,7N01-T6鋁合金在 揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率明 顯低于在空氣環(huán)境下,且煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞擴 展速率最低,這可能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明 顯大于揚塵顆粒從而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。隨 著應(yīng)力比增至0.5后,鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤 塵顆粒3種環(huán)境下的疲勞擴展速率明顯增大,且揚 塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率與空 氣環(huán)境下的差異減小,這與裂紋閉合效應(yīng)隨應(yīng)力比 增加而弱化有關(guān)。 

(3)與空氣環(huán)境相比,揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán) 境下鋁合金中的疲勞裂紋發(fā)生較多次偏轉(zhuǎn),裂紋擴 展路徑更加曲折;粉塵顆粒增加了疲勞加載過程中的裂紋閉合間隙,促進裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng),抑制裂紋 的擴展;粉塵顆粒影響裂紋尖端應(yīng)力分布,導(dǎo)致裂紋 尖端產(chǎn)生大量的滑移帶以及微裂紋或裂紋分支,極 大地消耗了擴展能量,從而降低了裂紋擴展速率。

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<文章來源  >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 機械工程材料 > 46卷 > 8期 (pp:75-82)>