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摘  要Abstract

 

7050鋁合金的斷裂韌度性能是航空結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性能指標(biāo)，本文針對7050-T7451鋁合金，采用緊湊拉伸C(T)試樣進行平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗，對試樣的厚度、殘余應(yīng)力、加載過程等參數(shù)進行設(shè)計，對試驗結(jié)果進行了分析。研究表明：在能夠得到有效KIC值的情況下，試樣厚度對平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗結(jié)果的影響不明顯。帶殘余應(yīng)力的試樣的試驗結(jié)果顯著偏大，預(yù)制裂紋的應(yīng)力比越大，KQ值越小，預(yù)裂紋分布越均勻，應(yīng)力比超過0.7時，能夠得到有效的預(yù)裂紋。加載過程對試驗結(jié)果有較小的影響，隨著加載速率的增加，KIC值呈現(xiàn)輕微減小的趨勢，橫梁位移控制的試驗較載荷控制的試驗結(jié)果稍大。

 

關(guān)鍵詞

 

7050鋁合金；平面應(yīng)變斷裂韌度；試樣厚度；殘余應(yīng)力；應(yīng)力比；加載速率。

 

7050鋁合金具有密度低、強度高、韌性高、易加工、優(yōu)良的耐腐蝕性能等特點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器裝備等領(lǐng)域，特別是航空飛機結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)階段，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)注材料的損傷容限性能，而斷裂韌度是材料耐損傷容限性能的重要指標(biāo)之一，因此7050鋁合金斷裂韌度性能檢測廣泛應(yīng)用于評價其韌性水平，為安全設(shè)計和生產(chǎn)檢驗提供了重要支撐[1]。

 

斷裂韌度的測試原理為通過循環(huán)加載對帶機加工缺口的試樣預(yù)制疲勞裂紋，對帶尖銳裂紋的試樣施加垂直于裂紋平面的拉力時，裂紋尖端會發(fā)生小范圍的塑性變形，通常試樣裂紋尖端塑性區(qū)包括內(nèi)部的平面應(yīng)變區(qū)與表面的平面應(yīng)力區(qū)（見圖1）。若試樣厚度足夠小，平面應(yīng)變區(qū)可忽略不計，裂紋尖端近似處于平面應(yīng)力狀態(tài)，可測得平面應(yīng)力斷裂韌度，平面應(yīng)變區(qū)占比隨著試樣厚度的增大而增大，當(dāng)試樣厚度增大至一定程度時，裂紋尖端近似處于平面應(yīng)變狀態(tài)，可測得平面應(yīng)變斷裂韌度（見圖2）。因此，在目前國內(nèi)外的檢測標(biāo)準(zhǔn)中，斷裂韌度分為平面應(yīng)變斷裂韌度和平面應(yīng)力斷裂韌度兩種試驗方法，通常厚產(chǎn)品（6.35mm以上）測定平面應(yīng)變斷裂韌度KIC（或KQ），薄板產(chǎn)品測定平面應(yīng)力斷裂韌度KC，或表觀平面應(yīng)力斷裂韌度Kapp，或指定有效裂紋擴展量Δae下的KR[2]。而其中，平面應(yīng)變斷裂韌度KIC值是7050鋁合金產(chǎn)品最常用的性能指標(biāo)。

 

 

標(biāo)引序號說明：

1——裂紋面；

2——在試樣表面的平面應(yīng)力區(qū)；

3——在試樣內(nèi)部的平面應(yīng)變區(qū)；

4——塑性區(qū)尺寸；

5——塑性區(qū)。

 

圖1   裂紋尖端塑性區(qū)示意圖

 

 

標(biāo)引序號說明：

K——應(yīng)力強度因子；

B——試樣厚度；

KIC——平面應(yīng)變斷裂韌度；

1——B = (KIc/Rp0.2)2；

2——B = 2.5 (KIc/Rp0.2)2。

 

圖2   斷裂韌度與試樣厚度關(guān)系示意圖

 

在平面應(yīng)變斷裂韌度的檢測中，試樣厚度、加載速率及控制方法是影響試驗結(jié)果的重要因素[3]，而試樣的殘余應(yīng)力會影響預(yù)裂紋的有效性[4]。因此，本文使用7050鋁合金厚板制備緊湊拉伸試樣進行平面應(yīng)變斷裂韌度 KIC值測定，研究這三個因素對檢測試樣平面應(yīng)變斷裂韌度KIC值的影響，從而有效指導(dǎo)KIC試樣的加工及檢測，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)和工藝研究的測試需求。

 

一研究內(nèi)容

 

1.1 試驗材料及設(shè)備

 

試驗樣品選用穩(wěn)定批產(chǎn)階段的高強高韌鋁合金材料，采用7050-T7451板材，樣坯應(yīng)帶有原始表面，并標(biāo)記加工方向和規(guī)格。試樣選用緊湊拉伸C（T）試樣，其尺寸需滿足圖3的要求，其中W/B=2，裂紋長度應(yīng)滿足0.45≤a/W≤0.55。

 

試驗選用設(shè)備型號為MTS 370.10，如圖4所示，其試驗參數(shù)如下：

 

試驗力范圍：±100KN；靜態(tài)負荷示值精度：優(yōu)于±0.5%；動態(tài)負荷示值精度：優(yōu)于±2%；同軸度：≤5%；引伸計精度：0.5級。

 

 

圖3   試樣尺寸要求

 

 

圖4     試驗設(shè)備

 

1.2 不同試樣尺寸平面應(yīng)變斷裂韌度KIC比對試驗

 

選用50mm、35mm、25mm及20mm四種厚度B的試樣進行斷裂韌度KIC試驗，分析比對試樣厚度對斷裂韌度值的影響。選用試樣信息如表1所示，方向為L-T向。

 

 

1.3帶殘余應(yīng)力產(chǎn)品的平面應(yīng)變斷裂韌度比對試驗

 

分別取兩塊7050-T7451板材，在淬火后其中一塊不作預(yù)拉伸處理，另一塊進行預(yù)拉伸處理，時效后取樣并測定兩塊板材的KIC或KQ值。未預(yù)拉伸消除應(yīng)力的試樣采用0.1、0.5及0.7三種應(yīng)力比進行裂紋預(yù)制，預(yù)拉伸消除應(yīng)力的試樣采用應(yīng)力比0.1進行裂紋預(yù)制[5]。分析比對殘余應(yīng)力對斷裂韌度值的影響，以及應(yīng)力比對帶殘余應(yīng)力試樣預(yù)裂紋的影響。試樣信息及試驗參數(shù)如表2所示，試樣厚度B=50mm，方向為L-T向。

 

 

1.4加載過程對試驗結(jié)果的影響比對試驗

 

在一些斷裂韌性檢測過程中，加載過程對斷裂韌性值存在較大影響。使用7050-T7451緊湊拉伸試樣，采用不同的加載速率和控制方式，研究加載過程對7050鋁合金斷裂韌度試驗結(jié)果的影響。試樣信息及試驗參數(shù)如表3所示，試樣厚度B=50mm，方向為L-T向。

 

 

二結(jié)果及分析

 

2.1 不同試樣尺寸平面應(yīng)變斷裂韌度KIC比對試驗結(jié)果

 

選取不同厚度的斷裂韌度KIC試樣進行試驗，預(yù)制裂紋應(yīng)力比R=0.1，加載速率為1 MPam1/2/s。試驗結(jié)果如表4所示[6]。

 

根據(jù)表4試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于7050-T7451板材，不同尺寸的試樣對應(yīng)的有效KIC值差別不大，說明在能夠得到有效KIC值的情況下，試樣厚度對試驗結(jié)果的影響不明顯。

 

 

 

2.2 帶殘余應(yīng)力產(chǎn)品的平面應(yīng)變斷裂韌度比對試驗結(jié)果

 

根據(jù)測試要求進行試驗，加載速率為1 MPam1/2/s。試驗結(jié)果如下表5所示。

 

根據(jù)表5的試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對于7050-T7451板材，預(yù)制裂紋應(yīng)力比R對未作預(yù)拉伸處理（即存在較大殘余應(yīng)力）試樣的試驗結(jié)果影響較大，預(yù)制裂紋應(yīng)力比越大，KQ值越小，試驗結(jié)果更加接近已預(yù)拉伸處理試樣的KIC值，在應(yīng)力比為0.7時，能夠得到有效的裂紋。與已做預(yù)拉伸處理的試樣進行對比，帶殘余應(yīng)力的試樣的KQ值整體偏大。

 

 

為進一步了解預(yù)制裂紋應(yīng)力比R對帶殘余應(yīng)力試樣的試驗結(jié)果的影響，對試樣裂紋及斷口進行分析，觀察所有試樣的斷面，如圖6所示。選取圖5中的不同應(yīng)力比對應(yīng)的典型試樣，分析測量的裂紋尺寸并配合觀察裂紋形狀可知，隨著預(yù)制裂紋應(yīng)力比R的增大，預(yù)裂紋分布越均勻，R=0.1和0.4時，無法滿足預(yù)裂紋有效性判定的要求，在0.7時預(yù)裂紋分布很好，可滿足預(yù)裂紋有效性判定的要求。

 

 

圖5     帶殘余應(yīng)力試樣斷口

 

圖6   帶殘余應(yīng)力試樣在不同應(yīng)力比下預(yù)制的裂紋

 

2.3 加載速率和控制方法對試驗結(jié)果的影響比對試驗結(jié)果

 

使用7050-T7451緊湊拉伸試樣，采用不同的加載速率和控制方式進行試驗，預(yù)制裂紋應(yīng)力比R=0.1。試驗結(jié)果如表6所示

 

由表6試驗結(jié)果可知，對于7050- T7451板材，加載速率的大小及控制方式對試驗結(jié)果僅有較小的影響，可以看到隨著加載速率的增加，KIC值有著逐步減小的微小趨勢，橫梁位移控制的試驗值最大，控制方式的不同主要在于近峰值區(qū)的速率有較大不同，力值控制的方式較快，這會對FQ及Fmax的取值有影響。但從KIC均值的差值比例來看，加載速率控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的區(qū)間內(nèi)，加載速率的大小及控制方式對試驗結(jié)果的影響并不明顯。

 

 

三結(jié)論

 

（1）對于7050- T7451板材, 在生產(chǎn)中可根據(jù)板材的實際厚度選取試樣厚度，在能夠得到有效KIC值的情況下，試樣厚度對平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗結(jié)果的影響不明顯。

 

（2）對于帶殘余應(yīng)力的試樣，預(yù)制裂紋的應(yīng)力比越大，KQ值越小，預(yù)裂紋分布越均勻，試驗結(jié)果更加接近已預(yù)拉伸處理試樣的KIC值，應(yīng)力比超過0.7時，能夠得到有效的預(yù)裂紋。與已做預(yù)拉伸處理的試樣相比，帶殘余應(yīng)力的試樣的KIC值顯著偏大。

 

（3）加載速率的大小及控制方式對平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗結(jié)果有較小的影響，隨著加載速率的增加，KIC值存在輕微減小的趨勢，橫梁位移控制的試驗結(jié)果較載荷控制的結(jié)果稍大。但從差值比例來看，只要加載速率控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的區(qū)間內(nèi)，加載速率的大小及控制方式對試驗結(jié)果的影響并不明顯。

 

參考文獻

 

劉兵,彭超群,王日初,等.大飛機用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國有色金屬學(xué)報,2010,20(9):1705-1715.

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ASTM E399-12e3,Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials[S].

余東梅,彭年秀,張銀祥.7050高強鋁合金斷裂韌度KIC值試驗結(jié)果有效性影響因素分析[J].鋁加工,2022,(1):63-67.

ASTM B909-00（11）Standard Guide for Plane Strain Fracture Toughness Testing of Non-Stress Relieved Aluminum Products [S].

白樹偉,姜楠,彭益州等,鋁合金斷裂韌度試驗的可靠性分析,機械設(shè)計與制造工程,2019,48(12):80-84.