分享：不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹 扩展行为的影响机理

唐雄辉1,贺冠强1,曾祥浩1,吴书舟1,王玉斌1,唐振恒2,陈宇强2 

(1.株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通技术中心,株洲 412001; 2.湖南科技大学高功效轻合金构件成形技术及耐损伤性能评价湖南省工程研究中心,湘潭 411201) 

摘 要:采用疲劳裂纹扩展试验、扫描电镜准原位观察等方法,研究了不同粉尘(扬尘和煤尘)颗粒 对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理。结果表明:在应力比0.1、应力强度因子范围小于 18MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段,扬尘和煤尘颗粒环境下铝合金的疲劳裂纹扩展速率明显低于空气环 境下,且煤尘颗粒环境下的裂纹扩展速率最低,这是由于煤尘颗粒的尺寸明显大于扬尘颗粒,加剧裂 纹闭合效应所致;随着应力比增至0.5后,粉尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率与空气环境下的差异 减小,这与裂纹闭合效应随应力比增加而弱化有关;粉尘颗粒增加了裂纹闭合间隙,促进裂纹闭合效 应,同时导致裂纹尖端产生大量的滑移带以及微裂纹,极大消耗扩展能量,从而降低裂纹扩展速率。

 关键词:扬尘;煤尘;铝合金;疲劳裂纹扩展速率;裂纹闭合效应 中图分类号:TN146.21 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0075-08 

0 引 言

 7N01-T6 铝 合 金 具 有 密 度 小、比 强 度 高 和 成 形性好等优 点,广 泛 应 用 在 轨 道 交 通 领 域[1]。随 着高铁运行速度的不断提高以及运营里程的不断 75 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 增加,铝合金构件面临的服役环境越来越复杂,对 构件的疲劳性能提出了越来越苛刻的要求[2]。因 此,复杂环境 下 铝 合 金 构 件 的 疲 劳 损 伤 行 为 是 目 前学者研 究 的 焦 点。前 期 研 究 人 员 主 要 对 温 度、 湿度、腐蚀介 质 等 环 境 因 素 对 铝 合 金 疲 劳 性 能 的 影响展 开 了 系 统 研 究[3]。研 究[4]表 明:低 温 环 境 会提高铝合金的裂纹扩展门槛值并降低疲劳裂纹 扩展速率,铝 合 金 的 疲 劳 寿 命 随 着 温 度 的 降 低 而 明显增加;高 温 环 境 会 提 高 铝 合 金 中 位 错 的 可 动 性,从而显著降低铝合金的疲劳强度[5-6]。环境湿 度越大,铝合金的疲劳性能越差,这主要是因为水 气中的氢原 子 容 易 扩 散 到 铝 合 金 裂 纹 尖 端 区 域, 诱导氢脆的发生[7]。盐雾等腐蚀介质会导致铝合 金表面形成腐蚀坑,造成局部应力集中问题,加快 疲劳裂纹的扩展[8-10]。 课题组的前期研究[11]发现,环境中的粉尘颗粒 很容易通过吸附等方式聚集在铝合金裂纹表面,并 对疲劳裂纹扩展行为产生影响。当应力比为0.1、 应力强度因子范围 ΔK 为10 MPa·m 1/2 时,铝合 金在氧化铝颗粒作用下的裂纹扩展速率比空气环境 下降低了60% [12],而在石墨颗粒作用下的裂纹扩展 速率则增加了近一倍[13]。众所周知,列车在实际运 行过程中经常会穿过富含扬尘的城郊、富含煤尘的 矿区等典型粉尘环境。这些粉尘颗粒的结构不同, 对铝合金构件的疲劳行为也可能造成显著不同的影 响。但是,目前有关不同粉尘颗粒对铝合金疲劳扩 展行为影响的研究还鲜有报道。为此,作者选取了 扬尘和煤尘2种典型的粉尘颗粒,研究了这些粉尘 颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响, 以期为轨道交通铝合金构件的服役安全提供理论 支撑。 

1 试样制备与试验方法 

试验材料为厚度8.0mm 的7N01-T6铝合金板, 由西南铝业公司提供,其化学成分(质量分数/%)为 4.34Zn,1.94Mg,0.24Cr,0.2Cu,余 Al,其室温抗拉强 度为387.0MPa,屈服强度为340.5MPa,断后伸长率 为10.0%,弹性模量为72.3GPa。试验用扬尘和煤尘 颗粒分别从城郊某工地和煤矿区附近采集,并将采集 的粉尘放入干燥箱进行干燥处理。 采用 MasterSizer2000型激光粒度分析仪对粉 尘颗粒的粒径进行分析,激光电源功率为10mW,测 定波长为633nm,测试范围为0.02~2000μm。利 用 D8Advance型 X射线衍射仪(XRD)对粉尘颗粒 进行 物 相 分 析,工 作 电 压 为 35kV,工 作 电 流 为 40mA,扫描速率为8(°)·min -1,步长为0.01°。按 照 GB/T6398-2017在 MTS-Landmark型高频疲 劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验,试验装置如图 1(a)所示,采用 COD 规测量疲劳裂纹尖端开口位 移,采 用 紧 凑 型 C(T)拉 伸 试 样,试 样 厚 度 为 8.0mm,具体形状和尺寸如图1(b)所示;加载波形 为正弦波,频率为10Hz,应力比为0.1和0.5;裂纹 的长 度 及 应 力 强 度 因 子 范 围 根 据 GB/T6398- 2017通过柔度法获得。粉尘颗粒用聚氯乙烯膜包 裹在 C(T)试样的裂纹扩展区域中,使颗粒充分地 进入裂纹中,如图1(c)所示。利用扫描电镜准原位 观察方法对不同粉尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展行 为进行观察,所用准原位观察试样的厚度为2mm, 并在试样一侧预制了一条长0.5mm 的缺口作为裂 纹源,具体尺寸如图2所示。在不同粉尘颗粒环境 下进行一定周次的疲劳试验后,利用 SU3500型扫 描电子显微镜(SEM)观察疲劳裂纹扩展形貌,直至 试样断裂。 

2 试验结果与讨论

 2.1 粉尘颗粒的微观形貌和物相组成

 由图3可以看出,2种粉尘颗粒的粒径均呈近似 正态分布特征,扬尘颗粒和煤尘颗粒的平均粒径分别 为28,56μm。研究[14-15]表明,空气中颗粒物的大小 常用空气动力学直径来表示,其粒径范围为0.01~ 100μm,这与实际粉尘粒径测试结果相吻合。 由图4可以看出,扬尘颗粒和煤尘颗粒均呈块 状,颗粒尺寸在5~50μm 之间,其中扬尘颗粒的平 均尺寸小于煤尘颗粒。 由图5可以看出:2种粉尘颗粒的物相均十分复 杂,其中扬尘颗粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8) 和CaMg(CO3)2 等 物 相,而 煤 尘 颗 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。 图3 扬尘颗粒和煤尘颗粒的粒径分布曲线 Fig 3 Particlesizedistributioncurvesofroad-dustparticles a andcoal-dustparticles b 图4 扬尘颗粒和煤尘颗粒的SEM 形貌 Fig 4 SEM morpholgoyofroad-dustparticles a andcoal-dustparticles b 图5 扬尘颗粒和煤尘颗粒的 XRD谱 Fig 5 XRDpatternsofroad-dustparticles a andcoal-dustparticles b 

2.2 铝合金的裂纹扩展速率曲线 

由图6可以看出,应力比0.1条件下铝合金的 疲劳裂纹扩展速率曲线包括疲劳裂纹萌生阶段(第 I阶段)、疲劳裂纹稳定扩展阶段(第Ⅱ阶段)、疲劳 裂纹快速扩展阶段(第Ⅲ阶段)。随着应力强度因子 范围的增加,疲劳裂纹扩展速率单调递增。在应力 强度因子范围小于18 MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段, 扬尘颗粒和煤尘颗粒能明显降低铝合金的疲劳裂纹 扩展速率。当应力强度因子范围约为10 MPa·m 1/2 时,扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速 率比空气环境下分别降低了24.5%和45.1%。当 疲劳裂纹进入快速扩展阶段,即应力强度因子范围 77 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 图6 应力比0.1条件下7N01-T6铝合金在空气、扬尘颗粒和 煤尘颗粒环境中的疲劳裂纹扩展速率曲线 Fig.6 Fatiguecrackgrowthratecurvesof7N01-T6aluminum alloyin air,road-dust particle and coal-dust particle environmentsatstressratioof0.1 大于23MPa·m 1/2 时,铝合金在3种环境下的疲劳 裂纹扩展速率差异减小。 图7 应力比0.5条件下7N01-T6铝合金在空气、扬尘颗粒和 煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率曲线 Fig.7 Fatiguecrackgrowthratecurvesof7N01-T6aluminum alloyin air,road-dust particle and coal-dust particle environmentsatstressratioof0.5 由图7可以看出,与应力比0.1条件下相比, 应力比0.5条件下铝合金在3种环境下的疲劳裂 纹扩展速率 较 大,这 是 因 为 在 相 同 应 力 强 度 因 子 范围下,应力比的增加会弱化裂纹闭合效应[16],从 而增大有效应力 强 度 因 子 范 围(ΔKeff),使 裂 纹 更 容易扩展。在应力比为0.5、应力强度因子范围小 于6 MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段,扬尘颗粒和煤尘 颗粒环境下铝合金的疲劳裂纹扩展速率低于空气 环境下,当 应 力 强 度 因 子 范 围 约 为 10 MPa·m 1/2 时,扬尘颗粒 和 煤 尘 颗 粒 环 境 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 速率相近,相 比 空 气 环 境 下 分 别 降 低 了 10.1% 和 11.9%,明显小于应力比为0.1时的降低幅度。当 应力强度因子范围大于13 MPa·m 1/2 时,3种环境 下的疲劳裂 纹 均 进 入 快 速 扩 展 阶 段,其 疲 劳 裂 纹 扩展 速 率 的 离 散 性 明 显 增 大 且 差 异 性 变 得 不 明显。

 2.3 铝合金的疲劳断口形貌 

由图8和表1可知:在应力比为0.1、应力强度 因子范围约为10 MPa·m 1/2 条件下,铝合金在空气 环境下的疲劳断口表面平坦,无明显杂质,断口表面 的疲劳辉纹间距为0.70μm,并且在部分断面区域 出现了大量的微坑和破裂的第二相粒子;扬尘颗粒 和煤尘颗粒环境下的疲劳断口表面分别附着大量扬 尘颗粒和煤尘颗粒,在这2种环境下的疲劳辉纹间 距分别为0.63,0.42μm,均小于空气环境下。 由图9可以看出:在应力比为0.5、应力强度因 子范围约为10 MPa·m 1/2 条件下,铝合金在空气 环境下的疲劳断口表面有许多微坑,疲劳辉纹间距 为0.67μm;扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下疲劳断口 表面分别分布了许多扬尘颗粒和煤尘颗粒,疲劳辉 纹间距分别为0.55,0.51μm。 

2.4 铝合金疲劳裂纹扩展的准原位形貌

 由图10可以看出:经7117周次加载后,铝合 金在空气环境下的疲劳裂纹近似锯齿状,部分锯齿 状裂纹处的上下断面出现了明显的提前闭合现象, 造成上 下 断 面 出 现 了 约 0.89μm 的 裂 纹 闭 合 间 隙[17],同时裂纹尖端存在规则的平行滑移带和微裂 纹;疲劳加载次数增加至7874周次后,在原裂纹尖 端(图中圆圈)处主裂纹发生了偏转,并且产生了一 定的平行滑移带和少量微裂纹,随着裂纹长度的增 加,裂纹闭合间隙增加至1.10μm。当加载7954周 次后,裂纹贯穿试样,试样断裂。 由图11可以看出:铝合金在煤尘颗粒环境下加 载7839周次时的裂纹闭合间隙为1.02μm,且在裂 纹尖端出现了许多不规则的滑移带;加载8693周 次后,主裂纹上出现2处长约25.3μm 和34.4μm 的裂纹分支,裂纹中存在大量煤尘颗粒,这些颗粒能 有效增强闭合效应,此时裂纹闭合间隙达到1.37μm; 加载9210周次后,裂纹尖端附近的不规则滑移带 和微裂纹增多,导致裂纹的扩展路径相比空气环境 更加曲折。 由图12可以看出:铝合金在扬尘颗粒环境下加 载8482周次后的裂纹中存在明显的扬尘颗粒,增 加了裂纹闭合效应,此时裂纹闭合间隙达到1.15μm; 加载8688周次后,在扬尘颗粒环境下的裂纹尖端存 在大量的滑移带痕迹,此时裂纹闭合间隙为1.28μm; 加 载9510周次后,虽然疲劳裂纹扩展已经进入后 期快速扩展阶段,但此时扬尘颗粒仍可明显增加裂 纹闭合程度,裂纹闭合间隙约为3.46μm,并且裂纹 78 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 图8 应力比0.1、应力强度因子范围约10MPa·m 1/2 条件下7N01-T6铝合金在空气、扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳断口SEM 形貌 Fig 8 FatiguefractureSEM morphologyof7N01-T6aluminum alloyinair a-b road-dustparticle c andcoal-dustparticle d environmentsatstressratioof0 1andstressintensityrangeofabout10MPa??m 1 2 a overallmorphologyand b localenlargement 表1 图8中不同位置的 EDS分析结果 Table1 EDSanalysisresultsofdifferentpositionsshowinFig.8 % 位置 质量分数 C O Mg Al Si K S Ca Fe 1 60.783 0.418 10.609 20.138 0.798 3.927 3.327 2 57.394 40.026 0.985 0.854 0.506 0.235 图9 应力比0.5、应力强度因子范围约10MPa·m 1/2 条件下7N01-T6铝合金在空气、扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳断口SEM 形貌 Fig 9 FatiguefractureSEM morphologyof7N01-T6aluminumalloyinair a road-dustparticle b andcoal-dustparticle c environments atstressratioof0 5andstressintensityrangeofabout10MPa??m 1 2 尖端附近产生了大量滑移带和微裂纹,使裂纹扩展路 径变得更为曲折。 在理想的情况下,疲劳裂纹扩展速率取决于裂 纹尖端的应力强度因子范围(ΔK =Kmax-Kmin,其 中 Kmax 和 Kmin 分别为疲劳加载过程中裂纹尖端的 最大应力强度因子和最小应力强度因子[18])。在实 际疲劳裂纹扩展过程中,裂纹总是在裂纹尖端应力 强度 因 子 大 于 Kmin 时 就 发 生 提 前 闭 合。大 量 研 究[19]表明,由于接触表面之间存在明显的摩擦力, 裂纹在裂纹尖端应力强度因子达到 Kop(裂纹面接 触时的应力强度因子)处会发生提前闭合。学者们 普 遍认为疲劳裂纹在闭合后不会发生扩展,因此裂 纹的扩展取决于 ΔKeff(ΔKeff=Kop-Kmin)。在空 气 环境中,裂纹上下断面较大的粗糙度造成了裂纹 79 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 图10 应力比0.1条件下7N01-T6铝合金在空气环境下经不同周次加载后的疲劳裂纹扩展准原位SEM 形貌 Fig.10 Quasiin-situSEM morphologyoffatiguecrackpropagationof7N01-T6aluminumalloyafterloadingfordifferentcyclesinair environmentatstressratioof0.1 图11 应力比0.1条件下7N01-T6铝合金在煤尘颗粒环境下经不同周次加载后的疲劳裂纹扩展准原位SEM 形貌 Fig.11 Quasiin-situSEM morphologyoffatiguecrackpropagationof7N01-T6aluminumalloyafterloadingfordifferentcyclesincoal-dust particleenvironmentatstressratioof0.1 80 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 图12 应力比0.1条件下7N01-T6铝合金在扬尘颗粒环境下经不同周次加载后的疲劳裂纹扩展准原位SEM 形貌 Fig.12 Quasiin-situSEM morphologyoffatiguecrackpropagationof7N01-T6aluminumalloyafterloadingfordifferentcyclesinroad-dust particleenvironmentatstressratioof0.1 的提前闭合,使得上下断面间出现裂纹闭合间隙。 当裂纹的总长度接近时,扬尘颗粒、煤尘颗粒环境下 的裂纹闭合间隙明显大于空气环境,说明在扬尘颗 粒和煤尘颗粒作用下,裂纹更早闭合,即扬尘颗粒和 煤尘颗粒可有效提高疲劳裂纹的闭合程度,从而抑 制裂纹的扩展。此外,在相同环境下,煤尘颗粒环境 下的疲劳裂纹扩展速率略低于扬尘颗粒环境,这可 能是由于煤尘颗粒的平均粒径明显大于扬尘颗粒从 而加剧了裂纹闭合效应所致。2种粉尘颗粒进入裂 纹中后,会影响裂纹尖端的应力分布,使裂纹附近产 生更多的不规则滑移带和由不规则滑移带引发的微 裂纹/裂纹分叉[12]。随着加载过程的进行,微裂纹 最终扩展为裂纹分支,导致主裂纹偏转,并极大地消 耗扩展能量,从而降低裂纹扩展速率。

 3 结 论

 (1)扬尘颗粒和煤尘颗粒的平均粒径分别为 28,56μm,扬尘颗粒的平均尺寸小于煤尘颗粒,扬 尘颗 粒 主 要 含 有 SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8 )和 CaMg(CO3 )2 等 物 相,而 煤 尘 颗 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 应 力 比 0.1、应 力 强 度 因 子 范 围 小 于 18MPa·m 1/2 的裂纹扩展阶段,7N01-T6铝合金在 扬尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率明 显低于在空气环境下,且煤尘颗粒环境下的疲劳扩 展速率最低,这可能是由于煤尘颗粒的平均粒径明 显大于扬尘颗粒从而加剧了裂纹闭合效应所致。随 着应力比增至0.5后,铝合金在空气、扬尘颗粒和煤 尘颗粒3种环境下的疲劳扩展速率明显增大,且扬 尘颗粒和煤尘颗粒环境下的疲劳裂纹扩展速率与空 气环境下的差异减小,这与裂纹闭合效应随应力比 增加而弱化有关。 (3)与空气环境相比,扬尘颗粒和煤尘颗粒环 境下铝合金中的疲劳裂纹发生较多次偏转,裂纹扩 展路径更加曲折;粉尘颗粒增加了疲劳加载过程中 81 唐雄辉,等:不同粉尘颗粒对7N01-T6铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响机理 的裂纹闭合间隙,促进裂纹产生闭合效应,抑制裂纹 的扩展;粉尘颗粒影响裂纹尖端应力分布,导致裂纹 尖端产生大量的滑移带以及微裂纹或裂纹分支,极 大地消耗了扩展能量,从而降低了裂纹扩展速率。

来源：材料与测试网