铝合金型材融合口材料疲劳极限测定

白　鑫　谢里阳　佟安时　李　铭　谭秀峰

东北大学，沈阳，110819



铝合金型材融合口材料疲劳极限测定

白鑫谢里阳佟安时李铭谭秀峰

东北大学，沈阳，110819

摘要：为了测试口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限，针对型材尺寸、形状和融合口位置的特殊性——不能设计成符合现有规范的标准疲劳试样形状，设计了L形缺口试样及其疲劳试验夹具。通过有限元模拟试验载荷、仿真试样应力分布，应用数值回归的方法求解出最大应力值，确立了试验载荷与L形缺口试样疲劳应力之间的函数关系。利用设计的试样和夹具进行升降法试验，测得了一种口形铝合金型材融合口处材料的疲劳极限，并对试样进行了断口分析。

关键词：铝合金型材；融合口；L形缺口试样；升降法试验；疲劳极限

0引言

随着轨道交通运输业的发展和节能环保意识的增强，车辆轻量化成为各国研究的热点，铝合金逐渐成为地铁列车、高速列车等现代交通工具的关键材料[1-2]。铝合金具有良好的挤压成形性能和焊接性能，被广泛应用于地铁车体所需的大型薄壁、中空型材的制造[3-4]。多数中空大截面铝型材是采用分流组合模焊合挤压成形的，挤压焊缝很难避免[5]，这种挤压焊缝被称为融合口(也称为焊合口)[6]。融合口处材料的内部组织是来自不同区域的两种组织，这两种组织不仅晶粒取向不同，流动速度也存在差异。挤压生产过程中，这两种组织在接触瞬间产生错动、摩擦，融合口处材料发生能量转换，动能转变为势能和热能，所以，融合口处材料的组织不均匀，其热量也比基体组织高。

为实现中国轨道交通材料的国产化，对融合口处材料进行静强度、腐蚀性能、疲劳性能等方面的检测很有必要[5-7]。在疲劳方面，由于融合口所处部位的形状和尺寸限制，往往很难加工成标准疲劳试样。

针对口形铝合金型材融合口处材料疲劳极限获取的特殊性，本文提出了合适的疲劳极限的试验方案，设计了一种L形缺口试样及其疲劳试验夹具，实现了试验件加载压力与其疲劳应力之间的换算，最后检测了一种口形铝型材融合口处材料的疲劳极限，断口分析结果验证了试验的合理性。

1疲劳极限试样及夹具设计

为测试口形铝型材融合口处材料的疲劳极限，首先需要设计出L形缺口试样和试验夹具。

1.1含融合口的L形缺口试样

多数由分流组合模焊合挤压制成的口形铝型材含有融合口。图1所示为中国某厂家自主研发的含融合口的口形A7N01S铝型材。

图1　含融合口的口形A7N01S铝型材

由于融合口位于口形材的拐角处，无法制成标准板形试样[8]，为了实现试验试样融合口处疲劳性能的检测，本文设计了L形试样，在试样拐角处设计了缺口，并设计成悬臂梁式的受载形式，如图2所示。根据L形试样的受载特点，将L形试样的两个臂进行区分：直接承受载荷作用的试样横臂称为悬臂，长度为悬臂长度；另一个被夹紧的、试验时处于竖立位置的试样臂称为立臂，长度为200 mm。图2中，H为有效立臂高度；F为疲劳载荷大小，kN；L为载荷作用力臂长度，L=40 mm。

图2　L形缺口试样尺寸

1.2试验夹具

根据L形缺口试样的试验要求，设计了疲劳试验夹具。如图3所示，通过紧固螺栓使压板压牢L形缺口试样的立臂，从而实现了试样的固定；通过压头的往复作用，实现了循环载荷的加载。根据夹具对L形试样的夹持位置，可将试样的立臂分为两部分：被螺栓和压板锁紧的试样立臂部分和未被锁紧的立臂部分。由于被锁紧的立臂部分的所有运动自由度均被限制，故在压头的疲劳载荷下，立臂的变形只体现在未被锁紧的立臂部分。为叙述方便，本文简称未被锁紧的立臂部分为有效立臂，其高度称为有效立臂高度(H=90 mm)。

1.压板　2.紧固螺栓　3.压头4.L形缺口试样　5.L形试样托架图3　试验夹具

2试样受力有限元分析

为了实现试验件加载压力与其疲劳应力之间的换算，对试验试样进行了有限元分析。

2.1试验试样有限元模型

采用大型商业通用有限元软件ABAQUS对试样缺口处应力进行有限元分析。在实验过程中，因为L形缺口试样立臂的变形只体现在有效立臂上，故可直接将立臂高度简化为有效立臂高度。对有效立臂的顶端平面进行全约束，对紧贴L形试样托架的有效立臂外侧面进行X轴方向平动自由度的约束。设计L形缺口试样的母材(A7N01S)力学性能参数见表1。

表1　L形缺口试样母材的力学性能

采用C3D8R单元对试样模型进行有限元网格划分，整体网格尺寸为1 mm，缺口处单元细化至0.3 mm。通过点、线的运动自由度耦合，将集中力9.18 kN加载至 “L=40 mm处的有限元节点集”(图4，试样悬臂上端面的耦合点，该点集排列位置呈一直线)，方向沿Y轴负方向。

图4　L形缺口试验试样的有限元模型

2.2有限元仿真

由于结构产生疲劳裂纹的方向与最大主应力方向有关[9-10]，故以最大主应力作为疲劳评估的参考应力。图5所示为有限元模型的求解结果，在试样缺口表面与试样对称中面的交线上，距试样悬臂底面最近的位置为L形试样的应力集中处，此处节点应力值最大(299.4 MPa)。

图5　L形缺口试样的有限元求解结果

因为应力集中位置的应力求解结果受单元尺寸的影响[11-12]，有限元直接求解、获得的最大应力值并非应力集中处的真实应力值。为此，以最大应力点为位置零点，提取沿缺口法向距最大应力点不同距离的多个节点的应力值，并设置成坐标点的形式，即各被提取的节点与最大应力点的距离为横坐标，对应提取节点的应力S为纵坐标。然后，对各坐标点的数据进行回归，得到最大应力节点的真实应力的逼近值。图6所示为各被提取节点的位置(粗实线上的各节点)，图7所示为提取节点的坐标和拟合曲线，拟合方程如下：

S=12.660 57+293.9119e-r/1.900 66(MPa)

(1)

图6　缺口处被提取节点的位置

图7　提取节点的位置和应力的回归

通过式(1)求解出r=0处的应力，即最大应力，其值为306.97MPa。根据弹性力学知识，可得压头的压力大小与试样受疲劳应力大小的线性关系：

S=33.44F(MPa)

(2)

式中，F为压头压力，kN。

3升降法试验结果

用GPS-100高频疲劳试验机，在应力比R=0.7(经尝试，该应力比下A7N01S的L形缺口试样的高频疲劳试验较易实现且状态比较稳定)，规定寿命为1.0×107次载荷循环下，对图2所示的L形缺口试样进行升降法试验，如图8所示。试验结果见表2。图9所示为循环载荷升降图：16个试验试样结果中，7个断裂，9个溢出，共配成7对；利用配对法[13]处理试验数据，由式(2)得到融合口处的疲劳极限为306.97 MPa (压头压力F=9.18 kN对应的疲劳应力)；应力级差为5.016 MPa(对应的F=0.15 kN)，小于5%的疲劳极限，满足升降法要求[13]。

图8　升降法试验中的L形缺口试样

F(kN)疲劳寿命N(载荷循环次数)-9.60322700;>1.0×107-9.45>1.0×107;>1.0×107-9.30454500;488900;341800;>1.0×107-9.151962700;410700;>1.0×107;>1.0×107;>1.0×107-9.00457600;>1.0×107;>1.0×107-8.85>1.0×107

图9　循环载荷升降图

为了与厂家提供的母材疲劳极限值(对称循环载荷下的拉-压疲劳极限值115 MPa)进行对比，使用Gerber抛物线公式[14-15]：

(3)

将应力比R=0.7的融合口处材料的疲劳极限转换成对称循环载荷下的疲劳极限，转换后的结果为87.12MPa，低于母材疲劳极限24.24%。其中，Sa为应力幅值，Sm为平均应力值，S-1为对称循环载荷下的疲劳极限值，σb为强度极限值。

4断口分析

为验证试验结果的合理性，对L形缺口试样的断口进行了分析。图10中试样裂纹起裂位置与扩展方向符合有限元仿真应力分布。将图10所示的试验后的裂纹试样拉断，切割制成断口试样，进行宏观和微观分析。如图11、图12所示，试验后的L形试样断口光滑，具有典型的疲劳断口形貌，含有裂纹源、裂纹扩展区及瞬断区。

图10　试验后的L形缺口试样的裂纹位置

图11　宏观断口

(a)裂纹源(b)扩展区

(c)瞬断区(d)人为拉断图12　微观断口

如图12a所示，裂纹扩展比较平缓(相对于图12b～图12d)，为主裂纹源，位于试样缺口处起裂边的中心位置(距试样悬臂底面最近的位置)，与有限元仿真的应力集中最严重位置一致。由宏观断口可知，裂纹起始于主裂纹源，并呈放射状向周围扩展，形成了明显的疲劳条痕特征，如疲劳条带、平行的疲劳裂纹(图12b)，此区域为疲劳裂纹扩展区。当试样有效承载面积逐渐减小，断口有分布均匀的韧窝(图12c)，此为疲劳瞬断区。为了保护断口形貌，当试验的载荷频率下降8 Hz时，及时停止试验，再拉断试样，所以断口有明显倾向于一侧受力的韧窝，呈撕裂状(图12d)。断口分析说明，试验试样的应力分布情况与有限元的仿真结果一致，这也从另一个侧面证明了本文设计试验的正确性。

5结论

(1)本文设计的含融合口的L形缺口试样及其试验夹具,可以实现口形铝型材的融合口处材料的疲劳性能的测试。

(2)利用有限元模拟试验加载，通过对最大应力位置的周围节点的应力数值回归，获得最大应力的逼近值，从而可以建立压头压力与L形缺口试样所受疲劳应力的对应关系。

(3)测试的口形A7N01S铝型材融合口处材料的疲劳极限(87.12 MPa)低于母材的疲劳极限(115.0 MPa)。

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(编辑陈勇)

Fatigue Limit Test of Fusion-mouth Material of Extruded Aluminum Alloy Profile

Bai XinXie LiyangTong AnshiLi MingTan Xiufeng

Northeastern University,Shenyang,110819

Abstract：In order to determine fatigue limit of fusion-mouth material of extruded aluminum alloy, the L-shaped notched specimens and their fixture were designed under the circumstance that those materials might not be designed as the normal standard fatigue specimens due to their special positions and sizes. Firstly, stresses on different locations of the tested L-shaped notched specimens were solved using finite element method. Then, the maximum stresses were approximated by means of the numerical regression method. Thus, the relationship between test load and fatigue stress might be explained by an equation. In order to determine the fatigue limit of the located-in-fused-mouth materials of a kind of extruded aluminium alloy profiles, an up-and-down program was also tested for the designed L-shaped notched specimen by designed fixture, and the fracture samples were also analysed.

Key words：extruded aluminium alloy profile; fusion mouth; L-shaped notched specimen; up-and-down test; fatigue limit

收稿日期：2015-06-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51335003)

中图分类号：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.018

作者简介：白鑫，男，1988年生。东北大学机械工程与自动化学院博士研究生。主要研究方向为机械装备疲劳强度与可靠性。谢里阳(通信作者)，男，1962年生。东北大学机械工程与自动化学院教授、博士研究生导师。佟安时，男，1985年生。东北大学机械工程与自动化学院博士研究生。李铭，男，1986年生。东北大学机械工程与自动化学院博士研究生。谭秀峰，女，1990年生。东北大学机械工程与自动化学院博士研究生。