基于紅外熱像法對5A06鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展中的各向異性研究

陳鵬達(dá),王鐘楠,許澤清,張紅霞,李永蓮,周翠蘭

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

基于紅外熱像法對5A06鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展中的各向異性研究

陳鵬達(dá),王鐘楠,許澤清,張紅霞,李永蓮,周翠蘭

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

通過紅外熱像儀,記錄5A06鋁合金疲勞裂紋沿平行軋制方向和垂直軋制方向擴(kuò)展過程中的溫度演化,并對兩個(gè)方向疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的各向異性進(jìn)行研究。結(jié)果表明,兩個(gè)方向試件表面的溫度演化具有相同的規(guī)律,其溫度演化均分為3個(gè)階段:初始的緩慢溫升階段,試件斷裂時(shí)的急劇溫升階段,試件斷裂后的自然降溫階段。施加不同應(yīng)力時(shí),沿平行軋制方向擴(kuò)展的試件,其斷裂溫升值分別為5.75,3.02,2.77 ℃;沿垂直軋制方向擴(kuò)展的試件,其斷裂溫升值分別為10.73,5.03,3.53 ℃。在相同應(yīng)力下,沿平行軋制方向擴(kuò)展的試件,其裂紋擴(kuò)展得更快;沿垂直軋制方向擴(kuò)展的試件,其斷裂溫升值更高。裂紋擴(kuò)展相同的距離時(shí),垂直軋向的試件受到的阻力更大,耗散的能量更多,擴(kuò)展得較慢,這與紅外熱像儀所觀察的垂直軋向的溫升值要高于平行軋向結(jié)果具有很好的一致性。由于裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算較復(fù)雜,因此可以通過紅外熱像儀來間接觀測鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的各向異性。

5A06鋁合金;疲勞裂紋擴(kuò)展;紅外熱像儀;各向異性

鋁合金比重小, 具有較高的疲勞強(qiáng)度，因而在軍事、航空航天、建筑、裝璜等領(lǐng)域隨處可以看到鋁合金的應(yīng)用[1]。人們在研究中發(fā)現(xiàn),金屬材料在斷裂過程中,其裂紋尖端會釋放熱量,并伴隨著試件溫度的變化。因而,可以用紅外熱像儀來觀測鋁合金試件疲勞裂紋擴(kuò)展過程中表面溫度的演化。紅外熱像法具有無損、快速、非接觸等一系列優(yōu)勢,因而被應(yīng)用到金屬結(jié)構(gòu)的疲勞研究中[2]。

Pastor等人使用紅外熱成像儀對2024-T3鋁合金的低周疲勞行為進(jìn)行熱分析,并對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行能量分析,得出機(jī)械能耗主要是由于晶粒的塑性變形引起的[3]。Giancane 等研究了2024-T3 鋁合金高周疲勞行為過程中的能量平衡,發(fā)現(xiàn)溫度演化可以作為評定疲勞性能的一個(gè)指標(biāo)[4]。Bhalla等[5]深入探討了鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展, 并通過分析紅外熱相圖計(jì)算疲勞裂紋尖端的能量耗散。構(gòu)件的疲勞壽命包括疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展兩部分,目前大多數(shù)的研究都集中在疲勞極限和疲勞裂紋的萌生方面[6-10],而對鋁合金疲勞裂紋的擴(kuò)展研究較少。筆者采用紅外熱成像儀分析5A06鋁合金平行軋制方向和垂直軋制方向的疲勞裂紋整個(gè)擴(kuò)展過程中的溫度演化,并與疲勞裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行對比分析,探討裂紋擴(kuò)展過程中的溫度演化規(guī)律，利用疲勞裂紋擴(kuò)展過程中溫度變化的差異來表征疲勞裂紋擴(kuò)展的各向異性。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用10 mm厚軋制成型的5A06鋁合金板材,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 5A06鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

使用DK7735型線切割機(jī)將10 mm厚的5A06鋁板加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試件和標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)試樣，如圖1和2所示。拉伸試件和CT試件分別加工成兩組，平行軋制方向一組，垂直軋制方向一組。拉伸試驗(yàn)在DNS200電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 加載速率為5 mm/min；疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在PLG-200D型高頻電磁拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)力比為0.1,頻率為99.4～100 Hz；通過Infortech型紅外熱像儀對疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)過程中試樣表面溫度的變化進(jìn)行記錄,紅外錄制頻率為50 Hz。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(mm)Fig.1 Geometric size of tensile sample

圖2 標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)試樣(mm)Fig.2 Geometric size of CT sample

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)開始前,先用砂紙打磨試件表面,使表面光潔,然后在試件表面上噴涂發(fā)射率大于0.95的黑色亞光漆,以便紅外測溫。兩組試樣分別用5.4,5.2,5 kN進(jìn)行加載,疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)開始前,先進(jìn)行預(yù)制裂紋,預(yù)制裂紋長度為3 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表2和表3分別為平行軋制方向和垂直軋制方向5A06鋁合金的力學(xué)性能。表中：σm為抗拉強(qiáng)度；σ0.2為屈服強(qiáng)度；L/%為斷后伸長率；Z/%表示斷面收縮率。

對比表2和表3可看出,平行軋制方向的5A06鋁合金和垂直軋制方向的鋁合金屈服極限和抗拉強(qiáng)度值差別不大,但塑性方面卻表現(xiàn)出明顯的各向異性。垂直軋制方向的5A06鋁合金塑性明顯優(yōu)于平行軋制方向,其中伸長率高出15.2%,斷面收縮率高出23%。這是由于不同軋制方向上的晶粒形態(tài)不同,晶粒形態(tài)與晶界密度影響著鋁合金的各向異性。

表2 平行軋制方向5A06鋁合金的力學(xué)性能

表3 垂直軋制方向5A06鋁合金的力學(xué)性能

2.2 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 l-N曲線Fig.3 The l-N curves

圖3為平行軋制方向和垂直軋制方向的CT試件在施加不同載荷下的l-N曲線。由圖中可明顯看出，平行軋制方向和垂直軋制方向的l-N曲線具有相同的演化規(guī)律。由于l-N曲線上某點(diǎn)的斜率即為該點(diǎn)處的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，所以在同一載荷作用下,疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大,最后試件發(fā)生斷裂。同一方向的試件,在同一循環(huán)次數(shù)下,隨著所施加載荷的增大,疲勞裂紋擴(kuò)展速率逐漸變大。

圖4為平行軋制方向和垂直軋制方向的dl/dN-ΔK擬合曲線。通過兩個(gè)方向的擬合曲線可看出，平行軋制方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯大于垂直軋制方向的裂紋擴(kuò)展速率。這主要是因?yàn)榻?jīng)軋制后的5A06鋁合金板材,晶粒沿軋制方向被拉長而導(dǎo)致的。

圖4 平行軋制方向和垂直軋制方向的dl/dN-ΔK擬合曲線Fig.4 dl/dN-ΔK curves in two directions

如圖5所示為在兩個(gè)取樣方向(平行軋制方向和垂直軋制方向)下,CT試樣疲勞裂紋擴(kuò)展方向與其內(nèi)部晶粒組織的位向關(guān)系。晶粒沿軋制方向被拉長(5-a),疲勞裂紋擴(kuò)展方向平行軋制方向即與晶粒被拉長的方向平行；疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直軋制方向5-b,即垂直晶粒被拉長的方向。疲勞裂紋擴(kuò)展相同距離時(shí),沿垂直軋制方向擴(kuò)展相比于平行軋制方向擴(kuò)展,需要穿過更多的晶粒,而裂紋在橫穿晶界時(shí),將會受到強(qiáng)烈的阻礙作用,垂直軋制方向擴(kuò)展將消耗更多的能量,因而其擴(kuò)展速率要低于沿軋制方向擴(kuò)展的速率[11]。

圖5 兩個(gè)方向下CT試樣與其晶粒組織的位向關(guān)系Fig.5 Relationship between CT samples in two directions and grain organization

2.3 平行軋制方向與垂直軋制方向上CT試件表面溫度演化的對比分析

圖6為兩個(gè)方向的試件在施加不同應(yīng)力條件下疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的溫度演化曲線。疲勞裂紋擴(kuò)展至斷裂的整個(gè)過程中,裂紋尖端承受交變載荷,材料發(fā)生塑性變形,其斷裂所釋放的能量要高于其他部位。由圖中可明顯地看出,鋁合金疲勞裂紋在擴(kuò)展過程中分為：初始緩慢溫升階段,試件斷裂時(shí)的急劇溫升階段,試件斷裂后的自然降溫階段。平行軋制方向試件(6-a)在5.4,5.2,5 kN作用力下的斷裂溫升值分別為5.75,3.02,2.77 ℃；垂直軋制方向試件(6-b)在5.4,5.2,5 kN作用力下的斷裂溫升值分別為10.73,5.03,3.53 ℃。

圖6 不同加載應(yīng)力下疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的溫度演化曲線Fig.6 Temperature evolution curves during the process of fatigue crack propagation under different stresses

圖7 不同加載應(yīng)力下疲勞裂紋擴(kuò)展的斷裂溫升值對比圖Fig.7 The fatigue crack propagation under different load stress fracture temperature to rise

圖7所示為不同加載應(yīng)力(5.4,5.2,5 kN)下的平行軋制方向與垂直軋制方向疲勞裂紋擴(kuò)展的斷裂溫升值對比圖。從圖中可明顯看出，垂直軋制方向試件斷裂時(shí)的溫升值要明顯高于平行軋制方向試件。在相同的應(yīng)力下,垂直軋制方向的CT試件斷裂溫升值更高,表明其斷裂時(shí)釋放的能量更多。由表2和表3對比可看出,垂直軋制方向的伸長率和斷面收縮率更大,表明垂直軋制方向的5A06鋁合金塑性更好,這是由于板材成型的原因造成的。由于垂直軋制方向的5A06鋁合金塑性更好,施加相同的應(yīng)力時(shí),垂直軋制方向的鋁合金變形量更大,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更劇烈,其釋放的能量更多,試件斷裂時(shí)的溫升值相對更明顯。

3 結(jié)論

1) 5A06鋁合金平行軋制方向和垂直軋制方向伸長率和斷面收縮率表現(xiàn)出明顯的各向異性,垂直軋制方向的5A06鋁合金塑性明顯優(yōu)于平行軋制方向,其中伸長率高出15.2%,斷面收縮率高出23%。

2) 對疲勞裂紋擴(kuò)展沿平行軋制方向和垂直軋制方向的CT試件施加相同的應(yīng)力時(shí),隨著循環(huán)次數(shù)的增加,平行軋制方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于垂直軋制方向的速率。

3) 疲勞裂紋擴(kuò)展過程中,通過紅外熱像儀觀察平行軋制方向和垂直軋制方向CT試件表面的溫度演化,發(fā)現(xiàn)鋁合金在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中分為三個(gè)階段:初始的緩慢溫升階段，試件斷裂時(shí)的急劇溫升階段，試件斷裂后的自然降溫階段。

4) 兩個(gè)方向的CT試件溫度變化趨勢相同。施加不同應(yīng)力時(shí),平行軋制方向試件的斷裂溫升值分別為5.75, 3.02, 2.77 ℃；垂直軋制方向試件的斷裂溫升值分別為10.73, 5.03, 3.53 ℃。在相同應(yīng)力下,垂直軋制方向的試件斷裂溫升值更高,表明垂直軋制方向試件斷裂時(shí)釋放的能量更多。

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(編輯：龐富祥)

Study on Anisotropy of Fatigue Crack Propagation Process of 5A06 Aluminum Alloy Based on Infrared Thermography

CHEN Pengda,WANG Zhongnan,XU Zeqing,ZHANG Hongxia,LI Yonglian,ZHOU Cuilan

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

This article uses the infrared thermal imager to record the temperature evolution during the process of fatigue crack propagation of 5A06 aluminum alloy parallel with and perpendicular to the rolling direction.The anisotropy during the process of fatigue crack propagation in two directions has been researched.The temperature evolution during fatigue crack propagation process shows three stages:initial slow temperature rise stage, rapid temperature rise stage, and finial temperature decline stage. Under different stresses, the fracture temperature increase value in parallel with rolling direction is 5.75 ℃, 3.02 ℃ and 2.77 ℃， respectively, and that in perpendicular to the rolling direction is 10.73℃,5.03℃ and 3.53℃，respectively.Under the same stress, the fatigue crack propagation rate in parallel rolling direction is higher than that in perpendicular rolling direction, and the fracture temperature in perpendicular rolling direction is higher than that in parallel rolling direction.When the crack extends same distance,samples in transverse direction consume more energy and longer time than in longitudinal direction. The result has a good consistency with the temperature change. The crack propagation rate is difficult to be measured, so the anisotropy during the process of fatigue crack propagation can be indirectly presented by the temperature recorded by infrared thermography.

aluminum alloy;fatigue crack propagation;infrared thermography;anisotropy

1007-9432(2015)05-0495-04

2015-03-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于紅外溫度場特征的鎂合金焊接接頭疲勞斷裂行為與評定理論研究(51175364)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：鎂合金焊接接頭紅外疲勞斷裂機(jī)理和疲勞極限方法研究(2013011014-3)

陳鵬達(dá)(1989-)，男，遼寧沈陽人，碩士生，主要從事紅外熱像法金屬的疲勞性能研究，(Tel)18334706245， (E-mail)chenpengdaemail@163.com

周翠蘭，女，高級工程師，主要從事金屬的疲勞性能研究,(Tel)0351-6010076

TG146.2+1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.003