多次沖擊載荷作用下典型鋁合金材料動態響應規律

郭玉佩， 王彬文， 劉小川， 白春玉， 楊 強

(中國飛機強度研究所， 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室， 西安 710065)

飛機在著陸/著艦狀態下，其起降裝置及機體連接區域結構遭受直接或間接的多次沖擊載荷作用，材料在多次沖擊載荷作用下動力學特性是工程應用和學術研究密切關注的焦點問題。7075-T7351鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，具有較好的強度、斷裂韌度和抗腐蝕特性，廣泛應用于飛機結構中。現以該材料為研究對象，利用落錘沖擊試驗機，進行了7075-T7351多次沖擊試驗，研究了沖擊能量、沖擊次數、缺口對材料沖擊性能的影響以及材料在多次沖擊下的變形規律。

多次沖擊試驗是獲得金屬材料多次沖擊性能以及分析其失效機理的主要研究手段[1]。程巨強等[2]發現Cr-Si-Mn-Mo系新型貝氏體鋼中的殘余奧氏體延緩多次沖擊載荷下的裂紋擴展；余釗輝等[3]發現表面氮化處理可以提升高能量沖擊下38CrMoAlA鋼的多次沖擊裂紋萌生壽命，但在低能量下效果不明顯；何柏林等[4]通過試驗未溶鐵素體含量為10%左右時42CrMo鋼的裂紋萌生壽命和斷裂壽命最高；李會會等[5]發現提高沖擊能量和溫度均會降低WC-Co硬質合金的多次沖擊壽命；張倩茹[6]通過分析沖擊壓縮試驗結果獲得了純鐵、45鋼形變量與沖擊次數、應力、沖擊頻率的關系；徐梅[7]根據試驗結果提出了1Cr18Ni9Ti蠕變應變率與沖擊次數、層深、應力的關系式；郁佳莉[8]通過紫銅的低應力多次沖擊試驗發現其存在循環硬化和循環軟化現象；李四超等[9]以沖擊能量作為尺寸縮放依據，采用擺錘試驗，通過分析試驗結果推知舵板的多次沖擊壽命；楊東方等[10]提出了腐蝕沖擊疲勞的概念并進行了試驗，發現鹽水對300M材料的裂紋擴展壽命有重要影響；陳鼎等[11]通過分析斷口發現WC-Co合金中在多次沖擊下裂紋萌生于缺陷處；張萌[12]研究發現小能多次沖擊過程中沿晶裂紋最容易產生，另外還引入了Paris公式分析多次沖擊裂紋擴展。

以上的研究材料普遍為純鐵、鋼、硬質合金等，在研究不同加載條件對多次沖擊性能影響時采用的加載方式多為沖擊壓縮，而7075-T7351鋁合金三點彎的多次沖擊研究較少。

1 試驗

1.1 試驗件

參考《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229—2007)設計3種試驗件，試驗件厚度為10 mm，長度、寬度及缺口尺寸如圖1所示，材料為7075-T7351，其化學成分和力學性能如表1、表2所示。試驗包括無缺口試樣單次沖擊、無缺口試樣多次沖擊和缺口試樣多次沖擊，試驗矩陣如表3所示。

R為半徑圖1 3種沖擊試樣Fig.1 Three kinds of impact specimens

表1 7075鋁合金化學成分

表2 7075-T7351力學性能

表3 沖擊試驗矩陣

1.2 試驗裝置及方法

采用INSTRON 9350試驗機進行試驗，試驗機、夾具及試驗方法如圖2所示。試驗機沖擊能量范圍為0.59～1 800 J，沖擊速度范圍為0.77～24 m/s。試樣支撐方式為兩端簡支，跨距為40 mm，使用兩種質量的落錘，分別為2.489 kg、4.989 kg，記為沖錘1和沖錘2。在試驗件側面中心部位粘貼應變片，方向與試驗件長度方向保持一致，如圖2所示。試驗中采用動態應變儀測量試驗件動態應變響應。試驗開始后錘體下落沖擊試樣，錘頭上的傳感器測量沖擊過程中的載荷，動態應變儀測量試樣的應變；沖擊完成后試樣歸位，試驗機提錘，進行下一次沖擊。

圖2 落錘沖擊試驗機、夾具及試驗方法示意圖Fig.2 Schematic diagrams of drop hammer impact testing machine, fixture and test method

2 試驗結果與分析

2.1 準靜態試驗結果

試樣0-1～試樣0-3在準靜態加載下載荷-位移曲線如圖3所示，圖3中無缺口試樣加載至1.5 mm，U形、V形缺口試樣加載至斷裂。由載荷-位移曲線可知，無缺口試樣承載能力明顯優于缺口試樣，兩種缺口試樣的曲線較為接近，但由于V形缺口試樣應力集中系數較大，其斷裂早于U形缺口試樣。

圖3 準靜態載荷-時間曲線Fig.3 Load-displacement curve under quasi-static condition

2.2 沖擊能量的影響

選擇試樣1-1～試樣1-7研究在單次沖擊加載下沖擊能量對材料動態性能的影響。試樣對稱軸(即與沖錘接觸區域)截面的撓度變化反映了試樣的整體變形，如圖4所示，沖擊一次產生的變形增量包含彈性變形和塑性變形兩部分，即

圖4 試樣的變形增量Fig.4 Deformation increment

Δw=Δwe+Δwp

(1)

式(1)中：Δw為總變形增量；Δwe為彈性變形增量；Δwp為塑性變形增量。

定義吸收功效率為試樣吸收的能量/沖擊能量×100%，在不考慮能量損失的情況下，單次沖擊完成后試樣的彈性變形恢復，塑性變形保留，吸收的能量全部用于塑性變形，則吸收功效率的表達式為

(2)

式(2)中：η為吸收功效率；Ep為試樣塑性變形吸收的能量；E0為沖擊能量。則有

(3)

式(3)中：

(4)

式中：q為彈性功與塑性功的比值；F為沖錘載荷；we為彈性變形造成的位移；wp為塑性變形造成的位移；F、we、wp均為時間t的函數。

因此在一次沖擊中，沖擊能量越大，試樣產生的塑性變形越大，q越小，吸收功效率越高。

單次沖擊過程的載荷隨時間的變化如圖5所示，可以看出隨著沖擊能量的提高，試樣承受的載荷逐漸增大。由圖6可以看出，在沖擊次數相同時，峰值載荷隨沖擊能量增大而增大，22 J相比6 J峰值載荷增加了35.47%；吸收功效率隨沖擊能量增大而升高，這與理論分析相符，6 J時吸收功效率為74.00%，22 J時增加至88.77%；沖錘的最大位移反映了試樣在一次沖擊中的最大彎曲變形，由表4可知，隨著沖擊能量的提高，變形逐漸增大。

表4 單次沖擊峰值載荷、吸收功效率的變化

圖5 單次沖擊載荷-時間曲線Fig.5 Single impact load-time curve

圖6 單次沖擊的試驗結果Fig.6 Test results of single impact

2.3 沖擊次數的影響

選取試樣2-1、2-2、2-3、2-4分別進行不同沖擊能量下多次沖擊試驗進行沖擊次數對材料特性的影響研究。如表5、圖7所示，沖擊次數對7075-T7351的沖擊響應有重要影響。沖擊能量相同時，試樣在多次沖擊中硬化現象明顯，峰值載荷增大，8 J沖擊能量下第11次沖擊峰值載荷比第1次增加了20.16%；吸收功效率隨沖擊次數增加而減小，8 J第1次沖擊吸收功效率為76.55%，第11次沖擊時為68.86%。

表5 不同沖擊能量下多次沖擊試驗結果

圖7 多次沖擊的試驗結果Fig.7 Test results of repeated-impact

多次沖擊中試樣對沖擊能量的吸收效率隨沖擊次數的增加呈現下降趨勢，反映出在多次沖擊過程中塑性變形越來越小；較高的沖擊能量下具有較高的能量吸收效率，即沖擊能量越高產生的塑性變形越大，這與單次沖擊的結論一致。

采用應變片測量試樣的塑性應變，應變測量結果如圖8所示，沖擊過程中試樣發生彈塑性變形，應變達到峰值，隨后彈性變形恢復，應變值減小，塑性變形保留，應變數值趨于穩定，最終的讀數即為應變片粘貼區域的塑性應變值，隨著沖擊次數的增加，試樣的塑性應變呈現上升趨勢，但上升的速度越來越慢，反映出單次沖擊造成的塑性應變增量越來越小，原因是塑性變形使材料發生了沖擊硬化，塑性應變增量如表6所示，當沖擊能量為10 J時，第5次沖擊引起的塑性應變增量僅為第1次塑性應變增量的43.77%；當沖擊能量為8 J時，第12次沖擊引起的塑性應變增量僅為第1次塑性應變增量的7.20%。無論是單次沖擊還是多次沖擊，無缺口試樣的變形形式均為彎曲，具體表現為試樣上半部分受壓縮，下半部分受拉伸，如圖9所示。

圖8 多次沖擊下試樣的塑性應變Fig.8 Plastic strain of specimen underrepeated-impact

表6 試樣塑性應變數據

圖9 變形后的無缺口試樣Fig.9 Deformed notch less specimens

2.4 缺口試樣多次沖擊

如圖10所示，缺口試樣在多次沖擊過程中仍然具有類似無缺口試樣的特點：硬化現象、吸收功效率降低等，缺口試樣斷裂時沿45°最大剪應力方向斷裂，如圖11所示；試樣在每次沖擊結束后不會產生明顯的彎曲變形，相同能量下不同沖擊次數的缺口試樣并沒有肉眼可見的差別，即使到試樣斷裂前一次沖擊也是如此，這區別于無缺口試樣。U形、V形缺口試樣在不同能量下的沖擊至斷裂次數如表7所示，可以看出對于同種試樣，能量越大沖斷所需的次數越少。在特定的能量區間，試樣斷裂所需沖擊次數對能量變化敏感，如對于U(V)形缺口試樣，4.3 J(3.0 J)時需要1次沖擊斷裂，而3.3 J(2.0 J)沖擊25次試樣仍未斷裂，沖擊能量與沖擊次數呈現非線性關系，當沖擊能量小于某一數值時(U形缺口為3.3 J，V形缺口為2 J)，沖斷次數會大大增加；另外，U形缺口試樣的承載能力明顯優于V形缺口試樣，相同沖斷次數時U形缺口試樣的沖擊能量比V型缺口試樣高1.3 J左右。可以看出沖擊能量對缺口試樣斷裂所需沖擊次數有較大影響。

圖10 缺口試樣試驗結果Fig.10 The results of notch impact specimen

圖11 斷裂的缺口試樣Fig.11 Fractured notched specimen

表7 兩種缺口試樣斷裂所需的沖擊次數

2.5 斷口分析

使用掃描電鏡對試樣的斷口進行觀察，發現不同沖擊次數、不同缺口的試樣斷口呈現相似的微觀形貌，斷口特征是多裂紋源沿晶界起裂，宏觀斷口呈現3個區：纖維區、放射區和剪切區。剪切區較小，各區微觀呈現準解理與極細韌窩混合型斷裂，具體如圖12所示，試樣的起裂位置為缺口的中間區域，存在多個較為明顯的裂紋源，晶粒橫斷，形成大臺階，面內晶粒剪切形成小臺階。纖維區準解理與面內極細韌窩混合型斷裂，區內可見二相粒子及二相粒子的相界開裂紋，也可見晶粒橫斷，形成裂紋擴展方向線。斷口兩個面的接合處仍是準解理與面內極細韌窩混合型斷裂。放射區極細韌窩與準解理混合型斷裂，晶粒被剪斷，形成大量剪切臺階，形成放射線。剪切唇區準解理與極細韌窩混合型斷裂。

3 結論

進行7075-T7351鋁合金多次沖擊試驗，研究了沖擊能量、沖擊次數、以及缺口對材料沖擊響應的影響，可得到以下結論。

(1)沖擊能量對沖擊性能有重要影響，峰值載荷、吸收功效率隨沖擊能量的增大而增大。

(2)沖擊次數對材料沖擊性能的影響表現為材料的硬化現象，沖擊峰值載荷逐漸增加，吸收功效率降低，每次沖擊產生的塑性應變增量逐漸減小。

(3)缺口的引入對于試樣的抗沖擊能力有明顯影響，不同形狀的缺口對試樣的抗沖擊能力的影響也不同，U形缺口試樣的抗沖擊能力優于V形缺口試樣。

(4)有限次數以及較為接近的沖擊能量多次沖擊下，7075-T7351微觀斷口呈現準解理與極細韌窩混合型斷裂，沖擊次數和沖擊能量對斷口影響不明顯。