摘 要:采用疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、掃描電鏡準(zhǔn)原位觀察等方法,研究了不同粉塵(揚(yáng)塵和煤塵)顆粒 對7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響機(jī)理。結(jié)果表明:在應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍小于 18MPa·m 1/2 的裂紋擴(kuò)展階段,揚(yáng)塵和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯低于空氣環(huán) 境下,且煤塵顆粒環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率最低,這是由于煤塵顆粒的尺寸明顯大于揚(yáng)塵顆粒,加劇裂 紋閉合效應(yīng)所致;隨著應(yīng)力比增至0.5后,粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與空氣環(huán)境下的差異 減小,這與裂紋閉合效應(yīng)隨應(yīng)力比增加而弱化有關(guān);粉塵顆粒增加了裂紋閉合間隙,促進(jìn)裂紋閉合效 應(yīng),同時(shí)導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生大量的滑移帶以及微裂紋,極大消耗擴(kuò)展能量,從而降低裂紋擴(kuò)展速率。

  關(guān)鍵詞:揚(yáng)塵;煤塵;鋁合金;疲勞裂紋擴(kuò)展速率;裂紋閉合效應(yīng) 

中圖分類號:TN146.21                                           文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                           文章編號:1000-3738(2022)08-0075-08

0 引 言 

7N01-T6 鋁 合 金 具 有 密 度 小、比 強(qiáng) 度 高 和 成 形性好等優(yōu) 點(diǎn),廣 泛 應(yīng) 用 在 軌 道 交 通 領(lǐng) 域[1]。隨 著高鐵運(yùn)行速度的不斷提高以及運(yùn)營里程的不斷增加,鋁合金構(gòu)件面臨的服役環(huán)境越來越復(fù)雜,對 構(gòu)件的疲勞性能提出了越來越苛刻的要求[2]。因 此,復(fù)雜環(huán)境 下 鋁 合 金 構(gòu) 件 的 疲 勞 損 傷 行 為 是 目 前學(xué)者研 究 的 焦 點(diǎn)。前 期 研 究 人 員 主 要 對 溫 度、 濕度、腐蝕介 質(zhì) 等 環(huán) 境 因 素 對 鋁 合 金 疲 勞 性 能 的 影響展 開 了 系 統(tǒng) 研 究[3]。研 究[4]表 明:低 溫 環(huán) 境 會(huì)提高鋁合金的裂紋擴(kuò)展門檻值并降低疲勞裂紋 擴(kuò)展速率,鋁 合 金 的 疲 勞 壽 命 隨 著 溫 度 的 降 低 而 明顯增加;高 溫 環(huán) 境 會(huì) 提 高 鋁 合 金 中 位 錯(cuò) 的 可 動(dòng) 性,從而顯著降低鋁合金的疲勞強(qiáng)度[5-6]。環(huán)境濕 度越大,鋁合金的疲勞性能越差,這主要是因?yàn)樗? 氣中的氫原 子 容 易 擴(kuò) 散 到 鋁 合 金 裂 紋 尖 端 區(qū) 域, 誘導(dǎo)氫脆的發(fā)生[7]。鹽霧等腐蝕介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致鋁合 金表面形成腐蝕坑,造成局部應(yīng)力集中問題,加快 疲勞裂紋的擴(kuò)展[8-10]。 

課題組的前期研究[11]發(fā)現(xiàn),環(huán)境中的粉塵顆粒 很容易通過吸附等方式聚集在鋁合金裂紋表面,并 對疲勞裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生影響。當(dāng)應(yīng)力比為0.1、 應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 ΔK 為10 MPa·m 1/2 時(shí),鋁合 金在氧化鋁顆粒作用下的裂紋擴(kuò)展速率比空氣環(huán)境 下降低了60% [12],而在石墨顆粒作用下的裂紋擴(kuò)展 速率則增加了近一倍[13]。眾所周知,列車在實(shí)際運(yùn) 行過程中經(jīng)常會(huì)穿過富含揚(yáng)塵的城郊、富含煤塵的 礦區(qū)等典型粉塵環(huán)境。這些粉塵顆粒的結(jié)構(gòu)不同, 對鋁合金構(gòu)件的疲勞行為也可能造成顯著不同的影 響。但是,目前有關(guān)不同粉塵顆粒對鋁合金疲勞擴(kuò) 展行為影響的研究還鮮有報(bào)道。為此,作者選取了 揚(yáng)塵和煤塵2種典型的粉塵顆粒,研究了這些粉塵 顆粒對7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響, 以期為軌道交通鋁合金構(gòu)件的服役安全提供理論 支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法 

試驗(yàn)材料為厚度8.0mm 的7N01-T6鋁合金板, 由**鋁業(yè)公司提供,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為 4.34Zn,1.94Mg,0.24Cr,0.2Cu,余 Al,其室溫抗拉強(qiáng) 度為387.0MPa,屈服強(qiáng)度為340.5MPa,斷后伸長率 為10.0%,彈性模量為72.3GPa。試驗(yàn)用揚(yáng)塵和煤塵 顆粒分別從城郊某工地和煤礦區(qū)附近采集,并將采集 的粉塵放入干燥箱進(jìn)行干燥處理。

采用 MasterSizer2000型激光粒度分析儀對粉 塵顆粒的粒徑進(jìn)行分析,激光電源功率為10mW,測 定波長為633nm,測試范圍為0.02~2000μm。利 用 D8Advance型 X射線衍射儀(XRD)對粉塵顆粒進(jìn)行 物 相 分 析,工 作 電 壓 為 35kV,工 作 電 流 為 40mA,掃描速率為8(°)·min -1,步長為0.01°。按 照 GB/T6398-2017在 MTS-Landmark型高頻疲 勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖 1(a)所示,采用 COD 規(guī)測量疲勞裂紋尖端開口位 移,采 用 緊 湊 型 C(T)拉 伸 試 樣,試 樣 厚 度 為 8.0mm,具體形狀和尺寸如圖1(b)所示;加載波形 為正弦波,頻率為10Hz,應(yīng)力比為0.1和0.5;裂紋 的長 度 及 應(yīng) 力 強(qiáng) 度 因 子 范 圍 根 據(jù) GB/T6398- 2017通過柔度法獲得。粉塵顆粒用聚氯乙烯膜包 裹在 C(T)試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)域中,使顆粒充分地 進(jìn)入裂紋中,如圖1(c)所示。利用掃描電鏡準(zhǔn)原位 觀察方法對不同粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展行 為進(jìn)行觀察,所用準(zhǔn)原位觀察試樣的厚度為2mm, 并在試樣一側(cè)預(yù)制了一條長0.5mm 的缺口作為裂 紋源,具體尺寸如圖2所示。在不同粉塵顆粒環(huán)境 下進(jìn)行一定周次的疲勞試驗(yàn)后,利用 SU3500型掃 描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋擴(kuò)展形貌,直至 試樣斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉塵顆粒的微觀形貌和物相組成 

由圖3可以看出,2種粉塵顆粒的粒徑均呈近似 正態(tài)分布特征,揚(yáng)塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別 為28,56μm。研究[14-15]表明,空氣中顆粒物的大小 常用空氣動(dòng)力學(xué)直徑來表示,其粒徑范圍為0.01~ 100μm,這與實(shí)際粉塵粒徑測試結(jié)果相吻合。