复杂应力状态下2A12铝合金疲劳裂纹生长行为的试验研究

摘要

近年来，随着材料科学的快速发展，金属冶炼、铸造技术得到了很大的提高，不同种类的高性能金属材料也在工业制造和航天科技等领域发挥越来越重要的作用。一直以来2A12铝合金由于高强度、良好韧性、低密度、优良的抗腐蚀能力等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用。深入研究2A12铝合金的疲劳裂纹生长行为，探索疲劳短裂纹的萌生、扩展、合体或干涉规律对提高2A12铝合金综合力学性能，对2A12铝合金构件的设计具有重要的意义。
　　本研究首先对具有Ⅱ型环状创口的2A12铝合金试件进行了应变幅值分别为0.40％、0.50％、0.60％的疲劳试验，研究应变幅值对铝合金试件疲劳寿命的影响，确定了铝合金疲劳裂纹生长行为的三个应变幅值。其次对具有Ⅰ型(R=3)、Ⅱ型(R=4)、Ⅲ型(R=5)三种环状缺口尺寸的2A12铝合金试件进行不同应变幅值的疲劳试验，试验采用应变控制，应变幅值选择为0.52％、0.56％，0.60％。采用中断试验法，根据环状创口尺寸和应变幅值选择合适的间隔，每隔一定循环将试件从疲劳试验机上取下使用电子显微镜观测和记录疲劳裂纹图片，并以这些图片为基础分析铝合金疲劳裂纹萌生、扩展、干涉及合体行为规律及环状创口尺寸、应变幅值等因素的影响作用。通过分析发现对于2A12铝合金，疲劳短裂纹具有不同的萌生源:大部疲劳短裂纹萌生于黑色杂质相Al6(FeMn)与基体α交界处;少部分疲劳短裂纹萌生于材料基体内部有轻微缺陷或晶界处;还有部分短裂纹萌生于与基体溶解不均匀的θ相或S相处或其与基体交界处。疲劳短裂纹的萌生现象一般发生于材料疲劳寿命的前期和中期，在疲劳寿命后期裂纹快速扩展阶段很少见。铝合金表面的疲劳裂纹数量较少，分布也较为稀疏。对相同应变幅值不同创口下铝合金疲劳裂纹扩展行为进行分析，从循环次数和疲劳寿命角度研究了不同创口试件裂纹长度变化规律，发现创口尺寸对铝合金裂纹扩展速率有着显著的影响，环状缺口尺寸越小，缺口处的应力集中情况越明显，疲劳裂纹扩展速率越快。对相同创口不同应变幅值的铝合金疲劳裂纹扩展规律进行了分析，应变幅值越高试件表面疲劳损伤程度越高，裂纹扩展速率越快。在铝合金材料疲劳寿命中后期，疲劳裂纹扩展过程中会发生干涉和合体现象。距离较近的裂纹体间的干涉作用表现为一条裂纹对另一条裂纹扩展的抑制或两条裂纹朝着合体的方向扩展并最终合并成一条裂纹。裂纹的合体则可以加速疲劳裂纹的扩展过程，使试件快速失效。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景介绍

1．2 铝合金疲劳裂纹研究现状

1．2．1 疲劳短裂纹概述

1．2．2 铝合金疲劳短裂纹的研究进展

1．3 选题意义及研究内容

2 复杂应力条件下疲劳试验

2．1 材料及试验设备

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验仪器

2．2 低周疲劳试验

2．2．1 试验内容

2．2．2 裂纹信息观测和采集

3 疲劳裂纹的生长行为分析

3．1 应变幅值对疲劳寿命的影响

3．2 疲劳裂纹的萌生

3．3 疲劳裂纹的扩展

3．3．1 不同缺口条件下铝合金表面疲劳短裂纹扩展行为

3．3．2 不同应变幅值条件下铝合金表面疲劳短裂纹扩展行为

3．3．3 不同环状创口在相同寿命区间表面裂纹的对比

3．3．4 不同应变幅值下在相同寿命区间表面裂纹的对比

3．4 疲劳裂纹的干涉、合体行为分析

3．4．1 铝合金疲劳裂纹的干涉行为

3．4．2 铝合金疲劳裂纹的合体行为

4 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢