Al-7Si-Mg合金的密度低、鑄造流動(dòng)性好、成本低，且具有良好的耐腐蝕性、力學(xué)性能和疲勞性能，可用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋、變速箱和高速鐵路接觸網(wǎng)支撐定位裝置[1] 近年來(lái)，用于高速鐵路接觸網(wǎng)支撐定位裝置中的Al-Si-Mg合金疲勞失效引發(fā)的弓網(wǎng)事故時(shí)有發(fā)生，危害高速鐵路的安全運(yùn)行[2,3] 為了提高Al-Si-Mg合金的服役可靠性，必須對(duì)其疲勞性能進(jìn)行深入研究 劉永勤[4]等在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造鋁合金在高應(yīng)力和低應(yīng)力區(qū)的主要裂紋源分別是表面缺陷和內(nèi)部鑄造孔洞，并使用Paris公式研究了疲勞壽命與孔洞尺寸的關(guān)系，計(jì)算出不同應(yīng)力水平下的臨界孔洞尺寸；朱正宇[5]等在Al-Si-Mg合金的多軸載荷疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著等效應(yīng)變幅的提高，這種鋁合金的多軸低周疲勞壽命降低；Atxaga[6]等在A356合金的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鑄造缺陷導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果較大的離散性，合金疲勞壽命不僅受鑄造缺陷的影響也受缺陷數(shù)量、尺寸、位置等的影響；Jiang [7,8,9]等在基于微觀組織特征對(duì)Al-Si-Mg合金的疲勞行為實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)密度隨著應(yīng)力幅值的增大而提高，且Mg2Si強(qiáng)化相和二次硅相使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到了強(qiáng)大阻力；Jiang[10]等研究表面有凹坑或表面粗糙度較低的Al-Si-Mg合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，試樣表面的粗糙度影響Al-Si-Mg合金的疲勞行為；Lados [11,12]等研究了晶粒尺寸、二次枝晶臂間距、Al-Si共晶相數(shù)量、初生鋁相、熱處理效應(yīng)及殘余應(yīng)力對(duì)Al-Si-Mg合金疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了合金的疲勞壽命；Wu[13]等研究Mg含量對(duì)Al-Si-Mg合金疲勞性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，Mg含量的提高能延緩裂紋萌生和增大裂紋擴(kuò)展的阻力，從而提高合金疲勞強(qiáng)度 本文進(jìn)行高速鐵路接觸網(wǎng)支撐定位裝置中使用的Al-7Si-0.6Mg系鑄造合金的疲勞實(shí)驗(yàn)，研究人工缺陷尺寸對(duì)其疲勞破壞行為和疲勞強(qiáng)度的影響

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為Al-7Si-Mg系鑄造合金，其化學(xué)成分列于表1 將重力鑄造的棒狀坯料進(jìn)行T6熱處理 熱處理后的材料抗拉強(qiáng)度為313 MPa，屈服強(qiáng)度為264 MPa，楊氏模量為73.6 GPa，硬度為127HV

Table 1

表1

表1Al-7Si-0.6Mg系鑄造合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 1Chemical composition of Al-7Si-0.6Mg casting alloy (mass fraction, %)

Alloy	Si	Mn	Fe	Cu	Ni	Zn	Ti	Mg	Cr	Al
Al-7Si-0.6Mg	7.05	0.0019	0.151	<0.0050	0.0092	0.0068	0.193	0.561	0.029	Bal.

圖1給出了不含人工缺陷的光滑疲勞試樣 使用自制人工缺陷導(dǎo)入裝置在試樣最小橫截面處鉆孔引入圓孔型人工缺陷，人工缺陷的示意圖如圖2所示 使用直徑從400 μm到1000 μm的鉆頭引入不同尺寸的人工缺陷，每個(gè)人工缺陷的直徑和深度相等 尺寸梯度和實(shí)際情況下的缺陷等效尺寸(area)列于表2



圖1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的形狀和尺寸

Fig.1Rotary bending fatigue specimen shape and size (mm)



圖2人工缺陷示意圖

Fig.2Artificial defect schematic

Table 2

表2

表2人工缺陷尺寸

Table 2Artificial defect size (μm)

Serial number	Diameter=Depth(d=h)	Top angle(θ)	area
1	400	120°	370
2	600	120°	555
3	800	120°	740
4	1000	120°	925

使用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R=-1、試驗(yàn)頻率為50 Hz 當(dāng)循環(huán)周次達(dá)到5×107仍不發(fā)生疲勞失效時(shí)終止試驗(yàn)，使用掃描電鏡(SEM)分析疲勞斷裂試樣的斷口

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論2.1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3給出了Al-7Si-Mg試樣的S-N曲線 由于有表面人工缺陷，鉆孔試樣的S-N數(shù)據(jù)點(diǎn)處于Al-7Si-0.6Mg母材試樣的左下方 在中高應(yīng)力水平區(qū)域內(nèi)，所有鉆孔試樣的疲勞壽命均略短于光滑試樣；在100 MPa應(yīng)力下555 μm鉆孔試樣的壽命略高于母材試樣，這是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性所致；在低應(yīng)力水平區(qū)間內(nèi)鉆孔試樣和母材試樣的疲勞壽命差距顯著，在80 MPa應(yīng)力水平下母材試樣的疲勞壽命已達(dá)到5×107周次且仍沒(méi)有失效，但是鉆孔試樣的疲勞壽命仍處于106周次數(shù)量級(jí) 循環(huán)5×107周次的試樣，其疲勞強(qiáng)度列于表3



圖3Al-7Si-Mg試樣的S-N曲線

Fig.3S-N curves of Al-7Si-Mg sample

Table 3

表3

表3人工缺陷試樣疲勞強(qiáng)度

Table 3Artificial defect sample fatigue strength

Serial number	area /μm	σ5×107 /MPa	Reduction rate /%
1	370	80	0
2	555	75	6.25
3	740	70	12.5
4	925	60	25

從表3可見(jiàn)，隨著人工缺陷尺寸的增大材料的疲勞強(qiáng)度在逐步降低 含925 μm人工缺陷的鉆孔試樣的疲勞強(qiáng)度為60 MPa，相比母材已降低25%；740 μm、555 μm缺陷鉆孔試樣的疲勞強(qiáng)度分別為70、75 MPa，分別降低了12.5%、6.25%；而370 μm缺陷鉆孔試樣的疲勞強(qiáng)度與母材相同，沒(méi)有降低

2.2 疲勞斷口

為了分析失效試樣的破壞行為，用掃描電鏡(SEM)對(duì)試樣斷口進(jìn)行觀察 圖4a給出了925 μm鉆孔試樣在70 MPa應(yīng)力水平下的疲勞斷口，其形貌分為裂紋萌生區(qū)(a)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)(b)和瞬斷區(qū)(c)



圖4不同尺寸鉆孔試樣的疲勞斷口

Fig.4Drilled specimen fatigue fracture in different sizes (a) 925 μm drilled specimen–70 MPa stress level; (b) 370 μm drilled specimen–90 MPa stress level

除了部分370 μm鉆孔試樣，其余鉆孔試樣的失效是人工缺陷萌生的裂紋引起的 而如圖4b所示的370 μm鉆孔試樣，在斷口中有兩個(gè)裂紋源，但是未發(fā)現(xiàn)人工缺陷 進(jìn)一步詳細(xì)觀察(圖5a)發(fā)現(xiàn)，在人工缺陷處的確萌生了裂紋，即圖4b中左上角裂紋 但是缺陷并未處于斷口上，說(shuō)明最終引起失效的裂紋并不是在人工缺陷處萌生 高倍觀察發(fā)現(xiàn)，最終引起疲勞失效的萌生區(qū)如圖5b所示 在試樣次表層有一處鑄造缺陷(氣孔)，尺寸約為area=308μm 在鑄造缺陷和試樣表面之間觀察到滑移平臺(tái)，說(shuō)明鑄造缺陷引起了局部應(yīng)力集中，誘發(fā)了它與試樣表面之間微觀組織的晶體滑移，萌生了疲勞裂紋并導(dǎo)致了最終的失效 此外，光滑試樣在90 MPa應(yīng)力水平下發(fā)生破壞時(shí)的裂紋源，如圖6所示 屬于氣孔的缺陷處于試樣次表面，等效尺寸約為area=435.4μm 由此可知，與光滑試樣相比較，為了使材料的疲勞極限進(jìn)一步降低，在試樣表面引入的人工缺陷尺寸應(yīng)該大于370 μm



圖5370 μm鉆孔試樣的裂紋源對(duì)比

Fig.5Comparison of crack source of 370 μm drilled specimen: (a) artificial defect crack source; (b) section crack source



圖6光滑試樣的裂紋源

Fig.6Crack source of smooth specimen

2.3 缺陷尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

當(dāng)試樣的疲勞失效由材料缺陷引起時(shí)，缺陷尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的影響 為了量化缺陷尺寸對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，Murakami教授提出根據(jù)試樣缺陷尺寸(area)和維氏硬度預(yù)測(cè)其疲勞強(qiáng)度σw[14] 根據(jù)上述兩個(gè)參數(shù)，含表面缺陷的試樣其疲勞強(qiáng)度為

σw=1.43(HV+120)(area)1/6(2)

其中σw為疲勞強(qiáng)度(MPa)，HV為維氏硬度(kgf/mm2)，area為缺陷等效尺寸(μm) 但是Ueno根據(jù)鋁合金的疲勞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用公式(1)預(yù)測(cè)鋁合金的疲勞強(qiáng)度結(jié)果偏危險(xiǎn) 因此，他基于對(duì)Murakami公式的修正[15]，針對(duì)鋁合金材料提出經(jīng)驗(yàn)公式

σw=1.43(HV+45)(area)1/6(2)

本文基于公式(2)得到的預(yù)測(cè)結(jié)果，如表4所示

Table 4

表4

表4Al-7Si-0.6Mg試樣Ueno公式預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Table 4Comparison of predicted results and experimental results of Ueno formula for Al-7Si-0.6Mg samples

Serial number	area/μm	σ5×107/MPa	σ107 /MPa	σw /MPa	σ5×107/σw	σ107/σw
1	370	80	80	91.6	0.87	0.87
2	555	75	75	85.6	0.88	0.88
3	740	70	75	81.6	0.86	0.91
4	925	60	70	78.6	0.76	0.89

使用Ueno修正公式(2)預(yù)測(cè)的疲勞強(qiáng)度(σw)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(σ107)之差超過(guò)10% 另外，從表4也可以看出，使用公式(2)預(yù)測(cè)的疲勞強(qiáng)度(σw)大于試驗(yàn)得到的疲勞強(qiáng)度(σ5×107) 其原因是，經(jīng)驗(yàn)公式(2)是基于JIS ADC12鋁合金材料在107循環(huán)周次下的疲勞強(qiáng)度提出的 這意味著，當(dāng)循環(huán)周次為107時(shí)Ueno就停止了試驗(yàn)，并將σ107作為修正公式的數(shù)據(jù)依據(jù)[14,15]；而對(duì)于鋁合金，當(dāng)循環(huán)周次超過(guò)107時(shí)材料仍可發(fā)生疲勞失效

為了使經(jīng)驗(yàn)公式更適用于Al-Si-Mg鋁合金材料，更滿足實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)鋁合金高周疲勞強(qiáng)度的要求，基于含表面人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果(σ5×107)，有必要重新擬合Kitagawa-Takahashi曲線以修正式(2) 圖7給出了人工鉆孔試樣的Kitagawa-Takahashi曲線，可見(jiàn)缺陷的尺寸嚴(yán)重影響材料的疲勞強(qiáng)度



圖7含人工缺陷的Al-7Si-Mg合金試樣的Kitagawa-Takahashi曲線

Fig.7Kitagawa-Takahashi curve of Al-7Si-Mg alloy sample with artificial defects

隨著表面人工缺陷尺寸的減小，材料的疲勞強(qiáng)度σ5×107提高 當(dāng)尺寸減小到約為483 μm時(shí)曲線開(kāi)始飽和，可將擬合得到的483 μm視為缺陷尺寸臨界值 由此可知，公式(2)的預(yù)測(cè)結(jié)果高于疲勞試驗(yàn)結(jié)果，且在實(shí)際工程應(yīng)用中107的疲勞壽命已不能滿足使用的要求 因此，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)5×107周次下的疲勞強(qiáng)度(σ5×107)，必須修正公式(2) 根據(jù)表4和圖7的結(jié)果，將公式(2)修正為

σw=1.43(HV+22)(area)1/6(3)

公式(3)不僅滿足文獻(xiàn)14和文獻(xiàn)15中的規(guī)律，也與本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好

表5給出了用修正公式(3)預(yù)測(cè)的σw與試驗(yàn)得到的σ5×107對(duì)比結(jié)果 當(dāng)缺陷尺寸小于或等于740 μm時(shí)公式(3)的預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確；而缺陷尺寸等于925 μm時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差已超過(guò)10% 這表明，公式(3)預(yù)測(cè)925 μm表面人工缺陷試樣的疲勞強(qiáng)度是非保守的 在文獻(xiàn)14和文獻(xiàn)15的工作中也出現(xiàn)過(guò)類似現(xiàn)象，即預(yù)測(cè)公式有一個(gè)使用臨界值 公式(1)的臨界值為1000 μm，而公式(2)的臨界值為1400 μm 在本文的實(shí)驗(yàn)中，由于試驗(yàn)材料數(shù)量的限制沒(méi)有進(jìn)行更大缺陷尺寸試樣的疲勞實(shí)驗(yàn) 但是，根據(jù)表5中的結(jié)果能確定這個(gè)臨界值應(yīng)不小于740 μm、不大于925 μm 因此，應(yīng)該給公式(3)附加一個(gè)適用性條件，即area≤740μm

Table 5

表5

表5含人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg試樣修正公式預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Table 5Comparison of prediction results of modified formulas of Al-7Si-0.6Mg samples with artificial defects and experimental results

Serial number	area /μm	σ5×107 /MPa	σw/MPa	σ5×107/σw	Error/%
1	370	80	79.31	1.01	0.86
2	555	75	74.13	1.01	1.16
3	740	70	70.66	0.99	0.94
4	925	60	68.08	0.88	13.47

2.4 缺陷尺寸對(duì)?Kth的影響

Murakami等的研究結(jié)果表明，在研究人工缺陷或夾雜物對(duì)材料疲勞性能的影響時(shí)，可將試樣中的人工缺陷或夾雜物等效為疲勞裂紋[14] 針對(duì)長(zhǎng)度大于1 mm的疲勞裂紋，當(dāng)應(yīng)力比R為定值時(shí)材料的?Kth是定值 但是，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度減小時(shí)?Kth并不是定值，而與疲勞裂紋的長(zhǎng)度有關(guān) Murakami針對(duì)幾種鋼鐵材料進(jìn)行了大量試驗(yàn)并參考了其他眾多學(xué)者的研究結(jié)果，提出用維氏硬度HV和缺陷等效尺寸area預(yù)測(cè)?Kth的經(jīng)驗(yàn)公式[14] 對(duì)于area<1000μm

?Kth=3.3×10-3(HV+120)(area)13(4)

式中?Kth為應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值(MPa·m) 但是，Ueno認(rèn)為Murakami提出的經(jīng)驗(yàn)公式在一定程度上高估了有色金屬的?Kth并對(duì)Murakami經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正[16]，對(duì)于area≤1400μm

?Kth=3.3×10-3(HV+35)(area)13(5)

?Kth=0.65?σ5×107πarea(6)

根據(jù)公式(4)和(5)得到的結(jié)果，如表6和圖8所示 其中?Kth由式(6)得到，?KM由Murakami預(yù)測(cè)公式(4)計(jì)算得到，?KU由Ueno預(yù)測(cè)公式(5)計(jì)算得到 對(duì)于表面缺陷試樣，Murakami公式預(yù)測(cè)的結(jié)果偏差較大 除925 μm試樣外，用Ueno公式預(yù)測(cè)的偏差較小，但是預(yù)測(cè)結(jié)果都比試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果大 考慮到公式(4)和(5)均由107循環(huán)周次對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度擬合得出，因此需針對(duì)鋁合金5×107循環(huán)周次疲勞試驗(yàn)結(jié)果修正?Kth公式 基于本文的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了使修正公式預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，將公式(4)和公式(5)修正為

?Kth=3.3×10-3(HV+22)(area)13(7)

Table 6

表6

表6含人工缺陷的Al-7Si-0.6Mg試樣?Kth計(jì)算結(jié)果(括號(hào)內(nèi)為預(yù)測(cè)誤差)

Table 6?Kth calculation results for Al-7Si-0.6Mg samples with artificial defects (predicted error in parentheses)

Serial number	area/μm	?Kth/MPa·m	?KM/MPa·m	?KU/MPa·m
1	370	3.54	5.84(64.97%)	3.83(8.19%)
2	555	4.07	6.69(64.37%)	4.38(7.62%)
3	740	4.39	7.36(67.65%)	4.82(9.79%)
4	925	4.20	7.93(88.81%)	5.20(23.81%)

圖8人工缺陷尺寸對(duì)?Kth的影響

Fig.8Effect of artificial defect size on ?Kth

表7列出了試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果(?Kth)與修正公式(7)預(yù)測(cè)結(jié)果(?Kth')對(duì)比 從表7可見(jiàn)，當(dāng)缺陷尺寸小于等于740 μm時(shí)修正公式(7)的預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是對(duì)925 μm試樣預(yù)測(cè)誤差偏大 這表明，修正公式(7)也有一個(gè)缺陷尺寸的適用性條件，與公式(3)的適用性條件相同

Table 7

表7

表7試驗(yàn)計(jì)算?Kth與修正預(yù)測(cè)公式預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

Table 7Comparison of experimental calculations ?Kth and revised prediction formula prediction results

Serial number	area/μm	?Kth /MPa·m	?Kth'/MPa·m	Error /%
1	370	3.54	3.52	0.56
2	555	4.07	4.03	0.98
3	740	4.39	4.44	1.14
4	925	4.20	4.78	13.81

3 結(jié)論

(1) 循環(huán)周次為5×107時(shí)，Al-7Si-0.6Mg鋁合金925 μm人工缺陷試樣的疲勞強(qiáng)度比母材降低25%，740 μm、555 μm人工缺陷試樣分別降低12.5%、6.25%，370 μm人工缺陷試樣的疲勞強(qiáng)度與母材相同 材料表面人工缺陷的尺寸越大，其高周疲勞強(qiáng)度的下降程度也越大

(2) 使用修正的Murakami公式在適用性條件范圍內(nèi)能更準(zhǔn)確地評(píng)估Al-7Si-0.6Mg鋁合金的高周疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻范圍

參考文獻(xiàn):