高速列车用6065A铝合金超高周疲劳性能试验研究.docx
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高速列车用6065A铝合金超高周疲劳性能试验研究
第35卷,
中国铁道科学VO1.35NO.1
20
CHINARAILWAYS
CIENCE
Janu
文章编号：
1001—4632（2014）01—0067—
05咼速列车用6065A铝合金超咼周疲劳性能试验研究
闫桂玲，王弘，康国政，代景安
（西南交通大学力学与工程学院，四川成都610031
）摘要：
对圆柱形和板状2种6065A铝合金试件进行20kHz,
06
01
0周次的对称拉压超声疲劳试验，并用扫描电镜显微分析技术分析疲劳断口。
结果表明：
这2种形状的6065A铝合金试件的S—N曲线与传统无限
寿命型疲劳曲线不同，而是呈现阶梯下降型特征，疲劳寿命大于10
周次的试件仍会发生疲劳断裂；试件的疲劳裂纹以剪切方式沿与试件轴向成约
45°方向扩展；圆柱形试件S—N曲线的阶梯下降型特征对应着疲劳裂纹的双萌
生机制，在疲劳寿命较低的低周、高周阶段，试件表面局部应力或应变集中区成为疲劳裂纹源；在寿命较高的超高周阶段，试件次表面或内部存在的缺陷成为疲劳裂
纹萌生有利的位置；板状试件的疲劳性能明显低于圆柱形试件，其疲劳裂纹呈现多源形核特征，且以表面裂纹萌生为主。
关键词：
高速列车；铝合金；超高周;
270.41:
TG111.8
文献标识码：
Adoi：
10.396
9/j
issn.1001—4632.2014.01.11
收稿日期：
20
13—01—20;修订日期：
2013—11—
01
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（
872175）;国家重点实验室自主研究课题项目（2011TPL_
Z03）
作者简介：
闫桂玲（
79—），女，河北保定人，博士研究生。
目前，我国高速列车车体
和转向架结构均采用钢板焊接结构或铝合金焊接结构，从而大大降低了车体的重量。
除了要求轻质之外，高速列车用铝合金还必须具有更高的强度、韧性、耐疲劳、抗裂纹等性能。
用于机车车辆的铝合金主要有6心＞和7心＞系列合金，如用于高速列车车体的6005和
7003等型号的铝合金［1］
。
目前，我国高速列车的速度已经超过了300km山一1,这对其车体材料的实际使用寿命提出了更高的要求。
对碳钢、高强度
钢和铝合金等材料进行的大于107
周次的超高周疲劳试验研究结果表明，直到1010
周次疲劳破坏仍会发生［2-
8］。
因此，研究高速列车用6065A铝合金1
010
周次内的超高周疲劳性能，对列车构件的疲劳寿命预测、损伤容限设计和可靠性评定都具有非常
重要的意义。
本文对圆柱形和板形6065A铝合金试件分别进行对称拉压超
声疲劳试验和试件断口扫描电镜显微分析的微观试验，从而揭示6065A铝合金
的超高周疲劳性能及其疲劳断裂机理。
1试件和试验方法
试件的材料为6065A铝合金，其化学成分
（质量分数，％）为0.5〜0•
i,0.35Fe,0.3Cu,0.
5Mn,0.4〜0.7Mg
0.3Cr,0.2Zn,0.
0主要力学性能见表1。
表1
65A铝合金力学性能
弹性模量/
GPa屈服强度/
MPa断裂强度/
MPa密度/（kgm—3）断后伸
长率/%断面收
缩率/%67
35.9
对称拉压超声疲劳试验中使用的试件有圆柱形
和板状2种，如图1所示。
试件尺寸需满足系统谐振条件，为了得到频率为2
OkHz第1阶纵向振动试件尺寸的解析解，假设圆柱形和板状试样中间段纵剖面
曲线分别为悬链线和指数曲线，根据超声疲劳拉压试件应力位移系数公式得到试样的应力位移系数值。
但由于加工悬链线和指数形状困难，通常用圆弧线替代上述2种曲线。
此种替代产生的应力
位移系数的误差可以略去不计［
9]
。
为了得到更精确的应力位移系数值，采用有限元软件Ansys计算，得到圆柱形试件和板状试件的应力位移系数Cs分别为8.28和4.31MPa-1。
试件表面粗糙度
达到O.2阿。
1.2宏观试验方法
对称拉压超声疲劳试验的循环周次为1O6
O1O
周次，系统的振动频率范围为2OkHz
，上下浮动
图1对称拉压超声疲劳试验试件（单位：
mm）
不得超过0.5kHz，有限元软件Ansys计算试件的共振频率为20
071Hz。
试验在室温条件下进行，由于试件在共振时会升温，用压缩空气
制冷装置保证试件表面温度与室温相当。
.3微观试验方法用扫描电子显微分析技术（Scanning
ElectronMicroscopy,SEM）分别观察圆柱形试件和板状试件的疲劳断口形貌，观察疲劳裂纹萌生位置、裂纹源区和裂纹扩展区形貌，分析2种试件疲劳断口形貌的异同，研究其疲劳断裂行为。
2试验结果
对称拉压超声疲劳试验得到的结果见表2。
表2不同形状试件的对称拉压超声疲劳试验结果
试件编号
圆柱形
板状
应力ca
/MPa疲劳寿命
Nf
/周次应力ca
/MPa疲劳寿命
Nf
/周次11846.49X106180
3.87X1052
2.
66X107
1755.68X1053
2.
X107
065
4.93
1.46X1
64173
8.89X1
06
20
6X1
628.
22X107
153.87X1
076
62
X107
6.52
X1077162
2.2
X1071
1.09X1078
.82X107
.17X10
55.47X1
07
54.43X1
10
47
2.27X108
4.26X10711
8X108
101.41X10812132
1052.21X10813
10XI
根据表2得到6
5A铝合金对称拉压超声疲劳试验曲线（S
—N曲线）
（a）圆柱形试件
图26065A铝合金对称拉压超声疲劳试验曲线（S—N曲线）
由图2可见：
①在疲劳寿命大于1
周次的超高周阶段，试件仍然会发生疲劳断裂，这与传统常规疲劳认为试件在
周次后不会发生疲劳破坏的观点不同。
由于用频率为100Hz的传统疲劳试
方法完成109
周次的试验用时为116d，而用20kHz的超声疲劳试验技术进行大于1
周次的超高周疲劳试验可更精确地保证构件的安全性;
②疲劳S—N曲线在1
06〜1010
周次试验范围内表现出阶梯下降型特征，在107〜1
周次范围内呈现水平平台特征，在大于10
周次的超高周疲劳寿命区有第2个更低的疲劳极限值。
目前认为S—N曲线阶
下降型特征是与疲劳裂纹双萌生机制有关；③板状试件的疲劳性能明显低于圆柱形试件；④2种试件的下降型S—N曲线与传统S—N曲线具有相同的趋势和规律，在对数坐标中呈线性关系，故可用
Basquin方程cra=cf（2Nf）b
描述（cf为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数）
具体结果标注于图2中。
2
.2微观试验2
.2.1宏观疲劳断口试验得到的圆柱形试件和板状试件宏观疲劳断口如图
3所示
0
图3疲劳试件宏观断口形貌
中国铁道科学
由图3可见：
试件的疲劳裂纹以剪切方式沿与
试件轴向成约45°方向扩展。
一些学者在对6063铝
合金［10］
、LY12铝合金［1
1］的疲劳宏观断口观察时也观察到了这种现象。
.2.2圆柱形试件微观疲劳断口用扫描电镜显微分析技术分别得到图2中
—图6所示
2#,4#和11#圆柱形试件的疲劳断口SEM形貌，如图4
Ailrishi?
ChouJowital
EM^Iishin^HOH翳，
tiilpMwww-cnkLnel
图42#圆柱形试件疲劳断口SEM形
貌（次表面裂纹形核，Nf=2
周次，（Ta=
177.3MPa）图54#
圆柱形试件疲劳断口SEM形貌（表面裂纹形核，Nf=8
周次，era=
172.5MPa）图611#
圆柱形试件疲劳断口SEM形
貌（次表面裂纹形核，Nf=1
周次，era=
147.1MPa）
由图4—图6可以看出:
2#圆柱形试件的疲劳裂纹在试件的次表面夹杂处萌生；4#圆柱形试件表面有较多夹杂，疲劳裂纹在试件的表面夹杂处萌
生；11
圆柱形试件的疲劳裂纹在试件的次表面夹杂处萌生，试验数据点处在圆柱形试件疲劳S-N
曲线的第2下降阶段；S—N曲线的阶梯下降型特征对应疲劳裂纹的双萌生机
制。
通常认为，在疲劳寿命较低的低周阶段，疲劳裂纹在试件表面萌生，其萌生机理是在表面局部应力或应变集中区塑性累积形成疲劳裂纹。
对超高周范围内发生疲劳破坏的试件进行SEM分析，结果表明试件内部存在的缺陷成为疲劳裂纹萌生的有利位置，在很多含有夹杂和缺陷的材料中清晰地观察
到了内部裂纹萌生的现象［
12-
13］。
在显微镜下，内部疲劳裂纹萌生的断口可以观察到非金属夹杂的存在，夹杂外侧有黑色的鱼眼形”裂纹，该区域呈现白色的粗糙形貌，不同学者对其有不同的命名，FGA（finegranulararea），GBF（g
ranularbrig
darkarea
htfacet）和ODA（optically
等。
虽然目前疲劳裂纹在夹杂处萌生的机理还没有完全研究清楚，但在大多数金属材料中已经观察到了这种现象。
本试验中，同样处于高应力区的2#试件和4#试件，应力幅值相当，疲劳寿命却相差较大。
试验表明6065A铝合金的表面粗糙度、内部夹杂、第二相粒子的尺寸、分布等因素对裂纹的扩展具有重要影响，对材料的疲劳性能影响较大。
所以，减小6
065A铝合金内夹杂、第二相粒子等微观缺陷的尺寸和数量，对提高疲劳性
能具有积极作用。
.2.3板状试件微观疲劳断口用扫描电镜显微分析技术分别得到图2中1
#和13#号板状试件的疲劳断口SEM形貌，如图7、图8所示
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71994-2014
OiiuAffiHlimi;JamilEl«livnk
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图71#板状试件疲劳断口SEM形貌
（多源形核，Nf=3.87X105
周次，（ra=
180MPa）
由图7和图8可以看出：
1#板状试件疲劳断
口微观形貌呈现多源形核特征，裂纹在试件表面萌生；13#板状试件疲劳断口同样呈现多源形核特征，拐角应力集中处、表面加工缺陷处为疲劳裂纹源区，裂纹在试件的次表面夹杂处萌生，裂纹扩展区形貌可见疲劳辉纹，瞬断区有类似于韧性断裂的韧窝状断口；板状试件疲劳裂纹以表面裂纹形核为主，且由于板状试件四周存在应力集中、表面或内部夹杂等缺陷，板状试件的疲劳裂纹均呈现多源形核特征，这也与图2所示的板状试件疲劳性能明显低于圆柱形试件这一结论吻合。
9
6第1期
咼速列车用6065A铝合金超咼周疲
劳性能试验研究
e■就耶»壊探（岛帆疲扎］
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X108
图813#板状试件试件疲劳断口SEM形貌（Nf=7.1
周次，（Ta=
100MPa）3结论
（1）与传统常规疲劳认为试件在107
周次后不会发生疲劳破坏的观点不同，6065A铝合金直到1
010
周次仍会发生疲劳破坏。
S—N曲线呈现2次下降型特征，可用Basq
uin方程描述其特征。
（2
）6065A铝合金圆柱形和板状试件的疲劳裂纹以剪切方式沿与试件轴向成
方向扩展。
（3
）圆柱形试件S—N曲线的2个下降阶段有不同的裂纹萌生机制，在低周、高周阶段（疲劳寿
命约小于10
周次）
劳裂纹源;
，由于试件表面局部应力或应变集中区塑性累积形成疲劳裂纹，成为疲在寿命较高的超高周阶段（疲劳寿命约大于
，试件次表面或内部存在的缺陷成为疲劳裂纹萌生的有利位置。
裂纹进
入稳定扩展区后出
周次）
现疲劳辉纹。
）板状试件的疲劳性能明显低于圆柱形试件，其疲劳裂纹呈现多源形核的特
征，且以表面裂纹萌生为主。
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