沖擊載荷作用下鋁合金強度分析

張　長（青海大學機械工程學院，青海　西寧　810016）

沖擊載荷作用下鋁合金強度分析

張長
（青海大學機械工程學院，青海西寧810016）

摘要：鋁合金具有強度高，有較輕的自重，良好的防腐蝕性，良好的可模性等特點。但它在抗疲勞性方面是較差的，對溫度的影響也是比較敏感的，本文主要提出鋁合金材料在載荷作用下的強度問題，進而找出控制以及解決的主要措施。

關鍵詞：鋁合金；載荷作用；分析研究

鋁合金材料在當今社會已經得到了比較廣泛的應用，主要都是應用在玻璃幕墻以及一些具有大跨度的結構當中，但是在鋁合金在加工的過程當中也會發(fā)生變形等問題，這也是有待解決的，一般主要的影響因素則是殘余應力而造成的。對鋁合金造成強度影響的因素會存在很多，在尺寸，應力，環(huán)境以及溫度方面都會受到影響，所以在想得到更好的應用，則必須要進行更為深入的研究分析。

一、鋁合金的主要特點

鋁合金在應用時具有幾方面的特點，它可降低結構質量的重量，可以提高低溫結構的性能，可以降低運輸費用，可以改善地震烈度的強度，提高質量，可以提高結構的壽命。但是這種材料也存在一定的缺點：（1）具有較強的溫度敏感性。鋁合金這種材料，它的線膨脹系數(shù)是非常強的，是鋼材的幾倍，也就是說它的溫度會更加敏感。（2）較差的抗疲勞性。由于鋁合金這種材料極易會產生裂紋，就算是在靜力載荷下也會發(fā)生這種問題，所以它的敏感系數(shù)也非常高。此外，還有其它幾方面的影響，一方面，如果受到大氣的影響時，在鋁合金的表面會出現(xiàn)氧化的成份，而這種成份會對材料進行一定的保護，避免腐蝕。所以我們可以看出，鋁合金這種材料有著很好的抗腐蝕性，起到一定的防護作用。另一方面，由于這種材料具有很好的質感與光澤，也具有良好的反射性，達到電解著色和氧化，有著裝飾的效果。再與鋼材這種材料相比較，它的弱點就是沒有鋼的強度大，由于它的密度只是鋼材的一半，但是在現(xiàn)在的結構當中鋁合金的強度則會大于碳素鋼。如果是應用鋁合金來替代其它材料一般可降低自重。如果應用在加工方面時，它具有擠壓成型的特點，而鋼材卻很難達到。

二、鋁合金的載荷沖擊影響

鋁合金結構的材料如果承受了多次的荷載時，它的斷面就會較低，因為的應力會小于試件的強度，一但屈服點出現(xiàn)時就會給它造成一定的破壞，當出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，也就是我們所說疲勞現(xiàn)象，會對強度造成一定的影響。所謂的結構疲勞指的就是在載荷的作用下會形成裂紋現(xiàn)象，這也是一種疲勞的過程。一般斷裂會和疲勞相結合，不是分開的。發(fā)生裂紋時也就是所說的斷裂擴散，體現(xiàn)在幾個方面：（1）試件會分為幾個尺寸，所以可以用高應力區(qū)體積進行解釋，而這方面也是影響疲勞性最主要的一個方面，在相同的應力水平下，隨著增大的尺寸其材料的體積也會提高，如果這種材料是在高應力區(qū)較為薄弱的位置出現(xiàn)疲勞時，在它最薄弱以及出現(xiàn)缺陷的位置高應力區(qū)也會隨著提高，因此，較小尺寸的試件在疲勞度上會好于大試件的抗力，就是說如果壽命在相同的條件下，大尺寸的試件就會減少它的強度，并且壽命也會跟著下降。（2）由于在重量方面鋁合金材料是較輕的，所以它也具有這方面的優(yōu)勢，在安裝時比較簡單，在加工時比較方便，制作構件可以降低上部的載荷程度，沒有抗沖擊的能力。如果是在施工期間就會減少它的勞動強度，也就是說勞動強度會影響到材料的抗疲勞度以及應力的大小，這是決定性的一個因素，所以，在材料發(fā)生缺陷時或者是在高應力區(qū)就極易會發(fā)生強度的損失，因此，壽命相同的條件下，在循環(huán)載荷的影響下就會給鋁合金造成彎曲現(xiàn)象，也就會降低了它的疲勞強度。（3）通常情況下，在材料的表面就會產生疲勞裂紋的問題，所以如果要提升它的抗疲勞性，就必須要強它的光潔度，一般所應用的方法就是在高應力表面應用到一定的殘余應力，從而來提高它的使用壽命。（4）材料的曲線通常都可以在空氣環(huán)境以及室溫的條件下得到，也就是說在腐蝕介質的影響下，酸堿溶液，海水等一些環(huán)境下受到的疲勞環(huán)境下都會產生一定的不利影響。如果在溫度降低時，就是提高金屬材料的疲勞感，也會影響到它的極限度，同時隨著溫度的變化降低，也會降低材料的斷裂性，此時的材料也就產生了一種脆性。如果材料有裂紋出現(xiàn)時，就會發(fā)生失穩(wěn)斷裂的問題。如果出現(xiàn)一定的高溫時，同樣會降低材料的強度，發(fā)生蠕變，產生疲勞感。（5）在載荷發(fā)生的初期，在表面會發(fā)生塑性變形，因為它的材料是較軟的，如果發(fā)生沖擊時它的表面會非常光滑的，當在變形層發(fā)生滑移或者是錯位時，這些現(xiàn)象必須會出現(xiàn)纏結以塞集的問題，也就是在材料的表面產生了硬化問題。如果是在干接觸的條件下，發(fā)生了數(shù)次的沖擊以后，則會導致產物的表面以粉末的產物造成流失，也就是數(shù)次發(fā)生變形以后而導致的磨損現(xiàn)象，載荷受到了沖擊。

三、鋁合金的強度影響

所謂的沖擊載荷指的就是在材料的表面在進行運動時會給零件的表面造成一定的磨損，當這種磨損失效時，也就出現(xiàn)了沖擊載荷，一般在工程當中這種現(xiàn)象是非常普遍的，這種磨損問題也是了解最少的。在我國當前的研究分析來看，一般探析的就是對沖擊磨損的疲勞度，在鋁合金材料當中疲勞強度則最重要的一項指標，如果指標要達到一定的強度就必須要滿足幾方面的要求。（1）當發(fā)生載荷沖擊影響下，凹坑會在短時間里產生很大的變形，同時塑性會轉化為熱能，，并且產生的熱量會傳遞到邊緣，所以，就會形成了凸起的現(xiàn)象，也就是我們所說的彩虹環(huán)。如果在很高黏度的潤滑油影響下，就會產生很多的熱量，從而就會產生很高的凸起現(xiàn)象。（2）如果在干接觸影響下，會對材料的表面造成一定的損傷，也就加劇了載荷的沖擊次數(shù)，如果在這時應用了潤滑劑，則可以降低對表面的傷害，也減少了變形問題。

結語

鋁合金是較為新型的一種材料，它比其它材料的性能要好，它的特點就是強度高，有較輕的自重，良好的防腐蝕性，良好的可模性，以及方便回收等一些特點。通過實踐證明，振動時效是最有效的一種抗載荷方法，通常情況下，如果發(fā)生載荷的作用時，材料會發(fā)生硬化以及循環(huán)變形等現(xiàn)象，同時也就會降低材料的殘余應力，由于在當前情況下，并沒有一種方法可以完全消除這種作用，這也是需要我們解決的。

參考文獻

[1]魏偉，陳學奎.影響疲勞性能的幾個因素[J].化學與材料工程，2009（11）.

中圖分類號：TG174

文獻標識碼：A

基金項目：青海省科技廳“123科技支撐平臺建設計劃”資助項目“高檔臥式加工中心可靠性分析與試驗技術研究”（項目編號2012-G-Y-25A-8）。