1、第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言随着汽车工业对产品轻量化的不断追求，高密度质量的钢铁材料逐渐被高强度轻质铝合金代替，7075-T651 铝合金作为其中的典型逐渐成为各汽车零部件的材料选择1。7075-T651 铝合金是 7075铝合金在通过 T6（固溶+时效硬化）热处理后，进行预拉伸 0.5%2%消除内应力，使得材料的组织结构更加均质，以获得较高的强度2。近年来，国内外学者对高强度铝合金的疲劳行为进行了大量研究。陈涛等3研究了应力控
2、制下 7075-T651 铝合金的疲劳断裂行为，发现 7075-T651 铝合金在较高应力幅下表现出先软化后硬化直至断裂的疲劳行为，而在较低应力幅下则先软化后明显硬化并趋于稳定；陈亚军等4研究了 7075-T651 铝合金薄壁管件多轴低周疲劳行为，通过对7075-T651 铝合金薄壁管件进行不同加载条件下的拉扭复合疲劳实验，表明当铝合金试样随等效应力幅的减小，其多轴疲劳寿命升高。当等效应力恒定时，寿命随应力幅比的升高而增加；Wojciech 等5研究了应变加载顺序对 7075-T651 铝合金试样疲劳寿命和断口形貌的影响。但随着高强度 7075-T651 铝合金在工程方面的应用越来越广泛，对其
3、疲劳性能的研究也需展开进一步研究，并为工程上对此类材料结构件强度设计时提供依据。本文从疲劳试验的数据结果出发，对 S-N 曲线的寿命分布和 p-S-N 曲线表征的疲劳寿命离散程度进行分析，通过 SEM 下的断口形貌分析了在不同载荷级别下的失效机理。1 试验方法本文的研究对象为 7075-T651 铝合金，其化学成分如表 1 所示6。在进行疲劳试验之前为掌握其基本的力学性能，通过拉伸试验获得了材料的力学参数，拉伸速率为 0.01 s-1，其工程应力应变曲线如图 1 所示，屈服强度为 485 MPa，拉伸极限为doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.022单轴拉-
4、拉条件下7075-T651铝合金疲劳行为的研究俞俊，袁承麟，陈锴，李乐，张泽强（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）摘要 为研究单轴拉-拉条件下 7075-T651 铝合金疲劳行为，应力比为 0.1，选择弹性范围内 5 种载荷级别进行疲劳试验，使用 S-N 曲线和 p-S-N 曲线表征此条件下 7075-T651 铝合金疲劳性能，并通过断口形貌分析了在不同载荷级别下的失效机理。结果表明，随着载荷级别的降低，疲劳寿命随之增加，不同应力级别下峰值疲劳寿命的存活率维持在 10%31%范围内，断口特征呈现典型的疲劳断裂。关键词 7075-T651 铝合金；疲劳寿命；断口形貌 中图分类号
5、TG115.5+2 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0107-04引用格式：俞俊,袁承麟,陈锴,等.单轴拉-拉条件下 7075-T651 铝合金疲劳行为的研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):107-109,120.Study on fatigue behavior of 7075-T651 aluminum alloy under uni-axial tension-tension conditionYU Jun,YUAN Chenglin,CHEN Kai,LI Le,ZHANG Zeqiang(School of Mechanical Engi
6、neering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)Abstract In order to study the fatigue behavior of 7075-T651 aluminum alloy under uniaxial tension-tension condition,the stress ratio was set to 0.1,and five load levels within the elastic range were selected for fatigue
7、 tests.The S-N curve and p-S-N curve were used to characterize the 7075-T651 aluminum alloy under this condition.The fatigue properties were analyzed,and the failure mechanism under different load levels was analyzed by fracture morphology.The results show that the fatigue life increases with the de
8、crease of the load level,the survival rate of the peak fatigue life data under different stress levels was maintained in the range of 10%31%,and the fracture characteristics show typical fatigue fracture.Key words 7075-T651 aluminum alloy;fatigue life;fracture morphology收稿日期：2022-01-21 108农业装备与车辆工程
9、2023 年570 MPa。在 4.9 N 试验力下保载 15 s，测得其硬度值为 187.46 HV。表 1 7075-T651 铝合金主要化学成分（质量分数）Tab.1 Main chemical composition of 7075-T651 aluminum alloy(mass fraction)元素SiTiCrFeMgCuMnZnAl质量分数/%0.40.20.180.280.52.12.91.22.00.35.16.1其余疲劳试验采用的板状试样几何尺寸如图 2 所示。分别使用 180，400，800，1 200 目砂纸将收到试样的工作段进行打磨，以降低表面粗糙度对其疲劳试验寿命
10、结果的影响。在实验室环境常温下，使用 RUMUL 高频动态疲劳试验机进行疲劳试验，应力比为 0.1，正弦波形恒幅交变载荷。由于汽车各铝合金零部件在服役过程中通常承受的载荷是在材料的弹性区间内，故疲劳试验的各名义峰值应力选取 400，350，300，250，200 MPa 下进行。最后，对疲劳失效后的断口在 Zeiss SEM 下进行观察，由此来确定腐蚀损伤试样的疲劳破坏机理。2 结果与讨论2.1 S-N 曲线图 3 的 S-N 曲线展示了 7075-T651 铝合金在不同载荷级别下的疲劳寿命分布情况。结果表明，在峰值应力为 400 MPa 下的疲劳寿命数值分布在31 46042 150 次循环
11、区间范围内，平均寿命为 35 811 循环周次；随着载荷级别的降低，7075-T651 铝合金的疲劳寿命不断增加，350 MPa 应力下的疲劳寿命数值分布在 43 96764 364 次循环区间范围内，平均寿命为 53 670 循环；300 MPa 应力下的疲劳寿命数值分布在 73 334148 552 次循环区间范围内，平均寿命为 30 000 循环；250 MPa 应力的疲劳寿命数值分布在 20 万次循环左右；200 MPa应力下的疲劳寿命数值维持在百万次循环附近，峰值疲劳寿命达到 1 238 274 循环。使用幂函数形式的 S-N 曲线公式对其疲劳寿命结果进行拟合7：max N=C (1
12、)式中：，C材料常数。拟合曲线的解析式为 max4.762 6 N=7.429 51016 (2)2.2 p-S-N 曲线实际疲劳寿命的分散性很大，因此只有在一定可靠度下的 S-N 曲线，在工程上才能正确评价材料载荷和疲劳寿命关系8。使用 Minitab 数学分析软件对不同载荷下的寿命进行概率统计分析，结果如图 4 所示。通常认为，疲劳寿命结果服从对数正态分布9。在 95%的置信区间下，获得了不同可靠度下的疲图 1 7075-T651 铝合金在常温下的拉伸曲线Fig.1 Tensile curve of 7075-T651 aluminum alloy at normal temperatur
13、e0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 工程应变工程应力/MPa6005004003002001000图 2 疲劳试验试样几何尺寸Fig.2 Geometry of fatigue test specimen410104530145R30图 3 S-N 曲线结果Fig.3 Stress-fatigue life curve results104 105 106疲劳寿命峰值应力/MPa400350300250200试验数据拟合曲线图 4 各载荷下疲劳寿命分布概率图Fig.4 Probability map of fatigue life distribu
14、tion under various loads10 000 100 000 1 000 000疲劳寿命样本数据百分比/%999590807060504030201051对数正态-95%置位区间400 MPa 下的疲劳寿命350 MPa 下的疲劳寿命300 MPa 下的疲劳寿命250 MPa 下的疲劳寿命200 MPa 下的疲劳寿命位置尺度NADP10.48 0.152 33 0.278 0.33010.88 0.190 63 0.190 0.62611.66 0.393 93 0.421 0.10012.30 0.072 82 3 0.329 0.21613.81 0.198 53 0.22
15、5 0.504109第 61 卷第 3 期俞俊 等：单轴拉-拉条件下 7075-T651 铝合金疲劳行为的研究劳寿命分布，其中 400 MPa 下疲劳寿命的最大值对应着最低可靠度为 12.53%，350 MPa 下疲劳寿命的最大值对应着最低可靠度为 18.45%，300 MPa 下疲劳寿命的最大值对应着最低可靠度为 30.86%，250 MPa 下疲劳寿命的最大值对应着最低可靠度为15.70%，200 MPa 下疲劳寿命的最大值对应着最低可靠度为 18.12%。这表明，即使随着外部载荷的降低，疲劳寿命得到提升，而在同一载荷下疲劳寿命获得极限值的能力并不随外部载荷的级别而相差太大，不同应力级别下
16、寿命极值的存活率维持在10%31%区间。选取 99%、90%、50%和 10%可靠度下的寿命结果绘制 p-S-N 曲线，如图 5 所示。表 2 为不同可靠度下的拟合曲线解析式。表 2 不同可靠度下的拟合曲线解析式Tab.2 Analytical formulas of fitting curves under different reliability可靠度/%拟合曲线解析式99max4.779 4 N=5.093 71016 90max4.616 2 N=2.477 61016 50max4.589 7 N=2.765 31016 10max4.651 8 N=5.082 31016 2.3 典型断口形貌特征分析图 6 展示了 7075-T651 铝合金在峰值应力 350 MPa 下的断口形貌。图 6（a）为断口宏观形貌，可以清晰地看到疲劳裂纹扩展的光滑扇形区域，断口表面总体上具有一定的凹凸性。裂纹从试样侧面开始萌生，在裂纹扩展区，可以观察到疲劳裂纹逐渐向内部扩展，在遇到不连续缺陷（如晶界等）时，裂纹前部会沿着某一方向上发生偏离。如图 6（b）所示，上部光亮区表明在疲劳裂纹滑移带形成
