分享：A380铝合金的高周与超高周疲劳性能及失效机制

0.   引　言

A380铝合金作为一种应用十分广泛的铝合金材料，具有易于加工、导热性好、抗高温开裂性好等特点，常用于制造引擎支架、变速箱、动力工具及各类轴等需要长时服役的关键设备及零部件[1-5]。A380铝合金在服役过程中常受到循环载荷作用，疲劳是最主要的失效形式，通常其疲劳寿命达到或超过1×107周次，属于超高周疲劳。一旦铝合金零部件发生疲劳失效，将导致整个结构或者机械系统发生严重故障，影响装备的正常运行。因此，研究A380铝合金的超高周疲劳行为，分析其寿命概率分布特点，对于保障A380铝合金关键零部件正常工作，避免疲劳失效的发生具有重要的意义。 

目前，针对A380铝合金疲劳失效行为已经开展了部分研究。XUE等[6]提出了一种A380铝合金的多阶段疲劳寿命分析模型，并提出微观小裂纹萌生阶段占总疲劳寿命的60%～80%。LUMLEY等[7]研究发现，时效处理对于提高A380铝合金的疲劳性能具有显著效果。KHISHEH等[8]探讨了热处理工艺对A380铝合金高周弯曲疲劳性能的影响，并研究了应力控制循环载荷下的断裂行为。目前，A380铝合金超高周疲劳失效的研究尚未深入开展，其超高周疲劳行为与疲劳寿命概率分布尚不明确，仍需进一步探索。因此，作者对A380铝合金开展不同应力幅条件下的超声疲劳试验，采用Weibull分布模型与Basquin模型构建了A380铝合金的存活率-应力幅-疲劳寿命（P-S-N）曲线，分析了失效机制，以期为实际工程中A380铝合金结构件的设计与维护提供理论和试验依据。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为压缩机传动轴用A380铝合金，密度为2.77 g·cm−3，由动态法测得其动态弹性模量为76.6 GPa，化学成分（质量分数/%）为3～4Cu，7.5～9.5Si，≤0.1Mg，≤2Fe，≤3Zn，≤0.5Mn，≤0.5Ni，≤0.35Sn，余Al。通过静力拉伸试验测得A380铝合金的屈服强度为169 MPa，抗拉强度为337 MPa，断面收缩率为4.57%。 

按照GB/T 43896—2024《金属材料 超高周疲劳试验 超声试验法》，在A380铝合金上截取如图1所示的疲劳试样，采用USF-2000型超声疲劳试验系统进行超声疲劳试验，试验加载频率为2×104 Hz，采用对称循环载荷，应力比R为−1，应力幅${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$为92～152 MPa，应力幅间隔为12 MPa，载荷波形为正弦波，最大循环周次设为1×109周次。在室温下进行试验，使用冷却空气喷吹冷却，以防止试验过程中试样过热。 

图  1  疲劳试样的形状和尺寸

Figure  1.  Shape and dimension of fatigue specimen

2.   试验结果与讨论

2.1   疲劳寿命分布

由图2可知：A380铝合金在循环加载1×107周次时的疲劳极限为114 MPa，循环加载1×109周次时的疲劳极限为92 MPa；当应力幅不低于128 MPa时，大部分试样发生高周疲劳失效，小部分试样发生超高周疲劳失效（疲劳寿命大于1×107周次）；而当应力幅小于128 MPa时，试样均发生超高周疲劳失效。在高周疲劳失效与超高周疲劳失效转变的位置，A380铝合金的应力幅-疲劳寿命分布趋势并未出现明显变化，随应力幅的增加，疲劳寿命整体呈连续降低趋势。A380铝合金的应力幅-疲劳寿命存在概率分布特点，因此使用P-S-N曲线对其进行定量描述。选用Weibull分布[6]作为应力幅一定条件下A380铝合金疲劳寿命概率分布模型，选取Basquin模型[9-11]作为概率一定条件下A380铝合金S-N曲线的基础模型，Basquin模型可表示为 

图  2  A380铝合金的疲劳寿命分布及P-S-N曲线

Figure  2.  Fatigue life distribution and P-S-N curves of A380 aluminum alloy

式中：S为应力幅；Nf为疲劳寿命；a，b为与A380铝合金相关的材料参数，需要根据试验数据进行拟合获得。 

根据试验数据分别计算出不同应力幅条件下A380铝合金的疲劳寿命存活率，选取相同存活率的应力幅与疲劳寿命组成数据组。应用Basquin模型拟合A380铝合金的P-S-N曲线，具体的曲线拟合结果如下： 

根据P-S-N曲线拟合结果，可以推断出A380铝合金在50%存活率，1×107，1×108，1×109周次下的条件疲劳强度分别为131，115，100 MPa，在95%存活率下则分别为110，97，85 MPa。由图3可以看出：随着疲劳寿命按1个数量级递增，A380铝合金的条件疲劳强度基本呈线性趋势下降，且不同存活率下的下降趋势基本一致。 

图  3  存活率50%与95%下A380铝合金的条件疲劳强度随疲劳寿命的变化曲线

Figure  3.  Curves of conditional fatigue strength vs fatigue life of A380 aluminum alloy at 50% and 95% survival rates

2.2   疲劳断口形貌

由图4和图5可以看出：A380铝合金高周疲劳断口的裂纹扩展区与瞬断区之间界线不明显，且断口四周出现了多个类似瞬断区的位置；疲劳裂纹源位于试样表面，裂纹源附近区域存在微孔状缺陷与二次裂纹；裂纹扩展区存在明显的韧窝和平面状断口特征，这与准解理断裂中的韧窝及小解理平面特征十分相似，因此推断A380铝合金的高周疲劳断裂类型为准解理断裂。 

图  4  A380铝合金在应力幅140 MPa下的高周疲劳断口形貌（Nf=8.24×105周次）

Figure  4.  High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =8.24×105 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region

图  5  A380铝合金在应力幅128 MPa下的高周疲劳断口形貌（Nf =1.57×106周次）

Figure  5.  High-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf =1.57×106 cycles): (a) overall morphology; (b) morphology of area near crack initiation and (c) morphology of crack propagation region

由图6可以看出：在应力幅140 MPa下，A380铝合金断口中出现了鱼眼区以及其中的粒状亮面（GBF）区，这是超高周疲劳失效的典型特征。鱼眼区的边界不是很清晰，这是因为此时试样的疲劳裂纹源位于试样内部，距试样表面较远，在疲劳裂纹扩展过程中应力强度因子和疲劳裂纹扩展速率的变化都相对平稳，使得鱼眼区形貌与其他区域形貌接近，边界清晰度下降。同时，断口中的GBF区可观察到凹坑状内部缺陷。 

图  6  A380铝合金在应力幅140 MPa下的超高周疲劳断口形貌（Nf =1.9×107周次）

Figure  6.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 140 MPa (Nf =1.9×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of GBF area

由图7可以看出：在应力幅128 MPa下，超高周疲劳断口中疲劳裂纹扩展区与瞬断区分界明显，裂纹主要起源于表面，向试样的另一侧扩展，近表面疲劳裂纹扩展的路径上还出现了二次凹坑状缺陷；在疲劳裂纹扩展区观察到撕裂棱、韧窝等典型的准解理断裂特征。 

图  7  A380铝合金在应力幅128 MPa下的超高周疲劳断口特形貌（Nf =1.6×107周次）

Figure  7.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 128 MPa (Nf = 1.6×107 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology near crack initiation

由图8可以看出，在应力幅116 MPa下，A380铝合金超高周疲劳断口中也出现了由内部起裂引起的鱼眼区，这与应力幅140 MPa下的超高调疲劳断口特征基本一致。由于疲劳裂纹源距试样表面较远疲劳，疲劳断口中的鱼眼区边界也不清晰。GBF区也观察到了类似凹坑的缺陷。疲劳裂纹以沿晶扩展为主，以微孔为中心向四周扩展而形成撕裂棱及台阶状特征，同时伴有少量穿晶断裂产生的二次裂纹以及类解理小平面特征，这表明A380铝合金超高周疲劳断裂以准解理断裂为主，与文献\$[8]\$所得到的结论基本一致。 

图  8  A380铝合金在应力幅116 MPa下的超高周疲劳断口形貌（Nf =7.8×107周次）

Figure  8.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 116 MPa (Nf =7.8×107 cycles): (a) overall morphology; (b) inside morphology of GBF area; (c) micropores and tearing edge in fish-eye area and (d) secondary cracks and stepped morphology in fish-eye area

由图9可以看出：在应力幅104 MPa下超高周疲劳断口存在多个起源于试样表面的裂纹源，裂纹源附近的近表面区存在微孔、疏松等内部缺陷。试验材料A380铝合金为压铸成形所得，其中不可避免地存在疏松、微孔等缺陷，而这些缺陷会引起铝合金疲劳失效。 

图  9  A380铝合金在应力幅104 MPa下的超高周疲劳断口形貌（Nf =1.17×108周次）

Figure  9.  Ultrahigh-cycle fatigue fracture morphology of A380 aluminum alloy under stress amplitude of 104 MPa (Nf =1.17×108 cycles): (a) overall morphology and (b) morphology of micropores and loose

3.   结　论

（1）A380铝合金的应力幅-疲劳寿命呈连续下降型分布，使用Weibull模型和Basquin模型构建了A380铝合金的P-S-N曲线模型，并得到存活率50%和95%下的S-N曲线公式。 

（2）A380铝合金在50%存活率下1×107，1×108，1×109周次的条件疲劳强度分别为131，115，100 MPa，在95%存活率下1×107，1×108，1×109周次的条件疲劳强度分别为110，97，85 MPa。随着疲劳寿命的增加，条件疲劳强度基本呈线性趋势下降，且不同存活率下的下降趋势基本一致。 

（3）A380铝合金的高周疲劳裂纹源位于试样表面，断口中存在小解理平面及韧窝，断裂类型为准解理断裂。超高周疲劳失效包括裂纹源位于表面的疲劳失效与裂纹源位于内部的疲劳失效，其中：裂纹源位于表面的疲劳失效特征与高周疲劳失效相似；裂纹源位于内部的疲劳失效断口存在 GBF 区与鱼眼区，同时还存在韧窝、撕裂棱、微孔等准解理特征，疲劳断裂以准解理断裂为主。

文章来源——材料与测试网