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分享：不同应力比条件下7075-T651铝合金裂纹扩展行为

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浏览：- 发布日期：2025-07-29 14:58:37【大中小】

7075铝合金是高强度铝合金中最具代表性的一种，主要由铝、锌、镁、铜等元素组成，具有密度小、强度高、韧性好、成形容易和加工成本较低等优点[1]，广泛应用于飞机结构的关键部件中。7075-T651铝合金是由7075铝合金经过固溶热处理与时效硬化后，再对其进行应变为0.5%~2%的预拉伸得到的。这一过程着重于提高材料的强度和机械加工性能，使7075-T651铝合金有了较高的比强度与韧性，以及较好的耐腐蚀性[2]，更适合精密加工。

笔者通过系统的试验，探讨了7075-T651铝合金在不同应力比条件下的裂纹扩展速率及其门槛值。试验采用ASTM E647《疲劳裂纹扩展速率测量的标准测试方法》标准方法，结合多种裂纹扩展模型，如Paris模型、Walker模型和Forman模型，对裂纹扩展速率进行详细地分析和比较。结果可为铝合金的损伤容限设计和结构完整性评估提供科学依据。

1. 试验材料与试样制备

试验材料为7075-T651铝合金板材，材料供应商为西南铝，材料规范为AMS4078/AMS-QQ-A-250/12。

材料的显微组织为α(Al)+AlFeCu相+Al2CuMg相+Mg2Si相，其微观形貌如图1所示。

图 1 标样试块的微观形貌

按照ASTM E647的要求设计裂纹扩展速率及门槛值试样，取样方向为L-T。试验使用宽度为100 mm、厚度为5 mm的M(T)型试样，在负应力比条件下增设防屈曲装置，以保证试验的准确性，试样结构如图2所示。

图 2 疲劳裂纹扩展速率及门槛值试验M(T)试样结构示意

2. 疲劳裂纹扩展试验

2.1 试验设备与试验环境

所有7075铝合金薄板试样的疲劳裂纹扩展与裂纹扩展速率试验均在液压伺服疲劳试验机上进行，试验静态力示值相对误差不大于±0.5%，动态力示值相对误差不大于±1%。试验条件为空气环境、室温，试验标准为ASTM E647。

2.2 试验步骤

2.2.1 预制疲劳裂纹

预制疲劳裂纹的目的是消除机械切口末端由机械加工引起的残余应力，并制造出尖锐锋利的裂纹尖端。

为防止裂纹尖端产生过载延迟效应，应至少采用两级应力水平进行逐级降载，每级下降率不得大于20%，每一级加载范围应使裂纹长度扩展量不小于(3/π)(Kmax/Rp0.2)2，其中Kmax为上一级载荷最后的最大应力强度因子，Rp0.2为屈服强度。

2.2.2 疲劳裂纹扩展门槛值试验

制好裂纹后，开始正式试验。试验中记录每级载荷水平或每级ΔK水平下的裂纹长度a和对应的循环次数N。重复该过程，直到ΔK降至使 $\frac{d a}{d N}$ 不大于10−7 mm/周次。对得到的da/dN-ΔK数据进行处理，从而得到疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth[3]。

2.2.3 试验数据处理方法

采用割线法处理近门槛值区的疲劳裂纹扩展速率。针对同一个应力比R下的 $\frac{d a}{d N}$ 不大于10−7~10−6 mm/周次的da/dN-ΔK数据，按式（1）进行最佳拟合。

d a / d N = C_{1} {(Δ K)}^{n_{1}}

(1)

式中：C1和n1为拟合参数。

由式（1）计算 $\frac{d a}{d N}$ 不大于10−7 mm/周次对应的ΔK值，即ΔKth。

3. 试验结果

不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展曲线如图3所示。不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展门槛值如表1所示。

图 3 不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展曲线

Table 1. 不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展门槛值

应力比	ΔKth	相关系数
−1	2.10	0.94
−1	2.00	0.82
0.1	2.02	0.88
0.3	1.93	0.91
0.5	1.71	0.91
0.7	1.45	0.89

由试验数据可知，材料的裂纹扩展门槛值随应力比的减小而增大。在更小的应力比下，材料能够承受更大的应力强度因子范围，而不发生裂纹扩展。当应力比为负值（如R=−1）时，每个循环中负载都会反转，可能导致更显著的裂纹闭合效应。这种效应有助于缓解裂纹的开启水平，减小推动裂纹生长的有效应力强度因子（ΔK），而在略微正的应力比（如R=0.1）下，虽然裂纹不会经历完全的闭合和开启，但是裂纹尖端的塑性变形可能导致裂纹在较低的ΔK值下就开始扩展，使得门槛值相近。说明在这两种条件下，材料的抗裂纹扩展性能相似。

4. 模型建立过程

4.1 模型选择以及数据选取

选用目前比较常见的3种疲劳裂纹扩展速率模型：Pairs模型、Walker模型和Forman模型，对裂纹扩展速率为5×105~1×106 mm/周次的数据进行拟合，并根据各应力比下的数据模型，拟合全部的试样数据，并进行数据分析。

4.2 Paris模型

Paris模型为

d a / d N = C {(Δ K)}^{m}

(2)

式中：C，m为拟合参数。

两边同时取对数，可得

lg (\frac{d a}{d N}) = m \cdot \lg (Δ K) +lg C

(3)

计算后得到的拟合参数如表2所示。

Table 2. Pairs 模型拟合参数

应力比	C	m	相关系数
−1	2.540×10−7	1.970	0.98
0.1	3.989×10−7	1.632	0.97
0.3	4.652×10−7	1.627	0.96
0.5	2.870×10−7	2.360	0.94

4.3 Walker模型

Walker模型为

d a / d N = C {[\frac{Δ K}{{(1 - R)}^{n}}]}^{m}

(4)

式中：R为应力比。

两边同时取对数，可得

lg (\frac{d a}{d N}) = \lg (C) + m \cdot \lg (Δ K) - m n \cdot \lg (1 - R)

(5)

计算后得到的拟合参数如表3所示。

Table 3. Walker模型拟合参数

应力比	C	m	n	相关系数
−1	3.450×10−3	1.970	6.980	0.98
0.1	0.018 8	1.632	-62.61	0.97
0.3	1.274×10−6	1.627	-1.699	0.96
0.5	8.060×10−8	2.220	0.912	0.95

4.4 Forman模型

Forman模型[4]如式（6）所示。

d a / d N = \frac{C {(Δ K)}^{m}}{(1 - R) K_{c} - Δ K}

(6)

式中：Kc为断裂韧度，根据断裂韧性试验，此处 Kc为29.3 MPa· $m^{\frac{1}{2}}$ 。

将上述公式两边同时取对数，可得

\begin{array}{l} lg (d a / d N) =lg (C) + m \cdot lg (Δ K) － \\ lg [(1 － R) \cdot K_{c} － Δ K] \end{array}

(7)

计算后得到的拟合参数表4所示。

Table 4. Forman模型拟合参数

应力比	C	m	相关系数
−1	1.540×10−5	1.890	0.98
0.1	1.111×10−5	1.471	0.97
0.3	9.789×10−6	1.448	0.96
0.5	4.781×10−6	2.010	0.95

5. 数据分析

各应力比下的原始数据以及3种拟合公式得到数据如图4~7所示。由图4~7可知：3种模型在相同应力比的条件下，使用相同数据拟合出的公式在形式上虽有差别，但其表达的效果与相关系数基本相同。其中Walker模型和Forman模型尤其适用于考虑应力比影响的场景，对于单一应力比，可选用其中任意一个模型来进行裂纹扩展速率的拟合[5]。

图 4 原始和拟合公式（R=-1）数据

图 5 原始和拟合公式（R=0.1）数据

图 6 原始和拟合公式（R=0.3）数据

图 7 原始和拟合公式（R=0.5）数据

6. 结论

对7075 T651铝合金在一系列不同应力比（−1, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7）下的裂纹扩展行为进行了深入分析。试验发现，随着应力比的减小，材料的裂纹门槛值逐渐增大。此外，在应力比为−1与0.1情况下，两者的门槛值十分接近，鉴于R=−1条件下的试验难度较大，涉及到材料屈曲及裂纹闭合效应的复杂性，R=0.1的门槛值数据可以作为一个有效的参考。此外，利用Paris模型、Walker模型及Forman模型拟合裂纹扩展速率，评估了这些模型在不同应力比下的数据。这些模型均显示出良好的拟合效果，证实了这3种模型在不同应力环境下裂纹行为分析的适用性和准确性。

深入了解裂纹扩展行为和应力比的影响，有助于更有效地预测材料在实际应用中的疲劳寿命，进而为航空、航天等关键行业中相关材料的应用和安全评估提供科学依据。这一策略不仅有助于延长结构部件的使用寿命，也为未来的结构设计提供了宝贵的数据支持。

文章来源——材料与测试网

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