7050高強鋁合金斷裂韌度K IC值試驗結果有效性影響因素分析

余東梅，彭年秀，張銀祥

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

7050鋁合金因具有強度高、韌性好、易于加工、較好的耐腐蝕性能等特點廣泛應用于航空航天、兵器裝備等特殊行業。其力學性能測試數據是裝備設計的重要參數，因此材料力學性能測試數據的可靠性就顯得尤其重要[1]。

金屬結構最危險、最不可預料的事故是結構的低應力脆性斷裂。任何脆性指標（如沖擊韌性、缺口韌性）都不足以反映結構材料抵抗低應力脆性破壞的能力，而斷裂韌度測試技術的發展解決了韌性指標和安全使用之間的矛盾。目前斷裂韌度已廣泛應用于評價各種材料的韌性水平，為安全設計和無損檢驗提供了科學依據。

應力強度因子KI表示在張開型（I型）拉應力作用下裂紋尖端應力場的強弱程度，是與應力和裂紋長度都有關的一個復合力學參量。當KI增大達到臨界值時，裂紋失穩擴展而導致材料斷裂，這個臨界或失穩狀態的KI值即為KIC值。KIC為平面應變下的斷裂韌度，表示在平面應變條件下材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，是評定材料阻止裂紋擴展的韌性指標。

根據GB/T 4161和ASTME399標準要求，只有當斷裂韌度的測試結果滿足所有的判定條件時，才能獲得有效的斷裂韌度KIC值[2-3]。但在生產檢測中，往往因材料厚度受限、試樣方向不合適或材料本身帶有殘余應力（即帶殘余應力的試樣在預制疲勞裂紋時表面裂紋無法擴展或出現不規則的疲勞裂紋增長（裂紋前緣曲率過大））等，導致不能獲得有效的斷裂韌度KIC值[4]。故本文采用7050鍛件和厚板緊湊拉伸試樣（CT）進行了平面應變斷裂韌度KIC值測定，以探討這三個因素對斷裂韌度KIC值測試結果的影響，旨在指導斷裂韌度測試試樣的加工，為材料的斷裂韌度檢測提供有效或有意義的KIC檢測數據，在滿足生產和工藝研究需求的同時也有助于完善相應材料的試驗參數[5]。

1 試驗方法

對緊湊拉伸C（T）試樣先預制滿足條件的疲勞裂紋，然后由拉伸加載時測試軟件自動記錄負荷及試樣邊緣兩側張開位移曲線，根據記錄曲線線性部分規定的偏置2.0%裂紋擴展量來確定對應的載荷，最后通過計算得到相應的斷裂韌度KIC值。

本文測試采用HFP5100高頻疲勞試驗機，并配備引伸計EXR5-1X和K1C測試軟件testXpert。

試驗所用材料為7050-T7451合金厚板及7050-T7452或T74鍛件，即100 mm、90 mm、70 mm、55 mm等不同規格的厚板及不同熱處理狀態下的鍛件。所用試樣均為C（T）緊湊拉伸試樣，見圖1。

圖1 緊湊拉伸試樣

1.1 試樣尺寸的初步確定

試件厚度B與材料的臨界應力強度因子KIC和屈服強度Rp0.2有關。只有當試件尺寸滿足平面應變和小范圍屈服的力學條件時，才能獲得穩定的KIC值。根據緊湊拉伸法規范對樣品尺寸的要求，確定試件的厚度應滿足兩個條件：

式中：B為試樣厚度；W為試樣寬度；a為裂紋長度，包括機械切口，取值在0.45～0.55 W之間；W-a為試樣韌帶尺寸。

預先估計較高的KIC值來確定試樣的尺寸，在試驗測得有效的KIC結果后，對試樣的尺寸進行最終的確定。

試樣所用規格、熱處理狀態及所加工尺寸、試樣方向、缺口形狀見表1。試樣加工先粗加工，然后進行精加工，精加工時機械切口可以采用銑、線切割、機加工等方式，以保證加工的精度。機械切口的尖端越尖越好且應當對稱，以提高切口尖端的應力集中程度，有利于疲勞裂紋的預置。

表1 7050合金不同規格、狀態、不同加工厚度、試樣方向及缺口形狀

1.2 疲勞裂紋的預制及試驗速度

預制疲勞裂紋的目的是消除機械切口末端由于機械加工引起的殘余應力，使裂紋塑性區尺寸減至最小，并制造一條尖銳鋒利的裂紋尖端。預制的疲勞裂紋應保證在試樣的厚度方向上均勻分布，并且在預期的裂紋擴展面兩側對稱分布。施加的應力應保證裂紋前緣均勻向前擴展，且裂紋不偏離預期的擴展方向。

預制疲勞裂紋時的循環載荷采用正弦波加載。應力比（R）為0.1。預制疲勞裂紋開始時的最大應力強度因子Kfmax不允許超過材料KQ值的80%，在預制到裂紋總長度最后的2.5%的距離內時最大應力強度因子Kfmax不能超過KQ值的60%。預制疲勞裂紋時的總循環周次在104～106之間。裂紋總長度（切口長度加預裂紋長度）為0.45～0.55 W之間。

確定斷裂韌度KIC值的應力強度因子速率為0.55 MPa·m1/2/s。

2 試驗結果與分析

2.1 試樣厚度對試驗結果的影響

選取批號為YC200678、規格70 mm、屈服強度RP0.2為455 MPa的7050-T7451預拉伸厚板進行測試，將其加工成不同厚度的L-T方向試樣。不同厚度試樣的斷裂韌度試驗結果見表2。

表2 YC200678批次不同厚度試樣的斷裂韌度測試結果

從表2數據分析可知：當試樣厚度為20 mm和25.4 mm時，不能獲得有效的KIC值，隨著試樣厚度的增加，斷裂韌度值逐漸減??；當試樣厚度為30～50.8 mm時斷裂韌度結果平均值比較接近且趨于穩定。

為進一步分析試樣厚度對斷裂韌度結果的影響，對7050不同規格的材料的KIC進行了檢測，檢測結果見表3。

表3 7050不同規格的KIC測試結果

從表3分析結果可進一步確定：材料的斷裂韌度測試結果與試樣的厚度有密切的關系，只有當厚度滿足一定條件時，才能獲有效的KIC值。

相關資料表明，當試樣厚度B/（KIC/RP0.2）2≤0.2時試樣處于平面應力狀態，而在0.2＜B/（KIC/RP0.2）2≤2.5時則處于過渡區狀態[6]。根據斷裂力學理論，當試樣處于過渡區狀態時KQ值隨試樣厚度的增加而降低，當試樣厚度增大至平面應變狀態時，KQ值趨于穩定并相當接近KIC（見圖2）。其原因是平面應力狀態下，裂紋頂端的塑性區要比平面應變狀態下大很多，裂紋失穩擴展時要消耗更多的塑性變形功，所以平面應力狀態下的斷裂韌度比平面應變狀態下高；若厚度介于二者之間，則試樣表面處于平面應力狀態下，內部處于平面應變狀態，斷裂韌度值也介于二者之間。

圖2 厚度對斷裂韌度和斷裂形態的影響

因此，要想獲得材料有效的或有意義的KIC值，必須有對試樣的厚度有一個最低的要求。為了保證檢測結果有效，應根據材料的屈服強度和預先估計的KIC值對試樣厚度進行預估，當獲得材料的真實的KIC值時，可以采用較小試樣厚度，以提高試樣加工和檢測進度。

2.2 試樣方向對試驗結果的影響

7050合金不同規格厚板加工成同一試樣尺寸、不同試樣方向后的斷裂韌度KIC值見表4。

表4 7050合金不同規格、不同試樣方向下的K IC值

從表4可知：不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 mm）試樣時，L-T方向的偏差較明顯，而T-L的方向比較接近；試樣厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

試樣的試樣方向對試驗結果有較大的影響。因為預置裂紋開始出現與樣品的加工精度有關，在預制疲勞裂紋長度時試樣切口上下部分發生彈性變形，應力主要集中在機械切口尖端部分。在彈性變形區某點的彈性變形與機械切口的距離不成正比，距開口處越近，其彈性變形越大，應力越集中。由于試樣內部晶粒分布不一致，裂紋沿試樣不同方向上擴展速度不相同，測得的斷裂韌度KIC值也存在差異。通過自動記錄負荷及試樣邊緣缺口兩側張開位移曲線即P-V曲線（見圖3），對記錄曲線上線性部分規定的偏置2%來確定材料的斷裂韌度KIC值。

圖3 7050合金P-V曲線

研究表明，同一厚度上合金的各向異性與第二相分布的各向異性有關。7050鋁合金厚板中殘留有大量的第二相，主要是未溶的Al2CuMg相及含Fe、Si元素的脆性相，這些相以鏈（串）狀形式沿軋制方向分布。這些相會造成合金局部塑性變形能力降低，使得裂紋更容易擴展，從而減低了板材的斷裂韌性，同時造成了斷裂韌性的各向異性。當裂紋擴展方向與第二相粒子排列方向一致時（TL方向、SL方向），裂紋容易沿第二相連續擴展，導致該方向的斷裂韌性較低；當裂紋擴展方向垂直第二相粒子排列方向時（LT方向），裂紋擴展遇到的阻力較大，斷裂韌性有所提高。所以第二相粒子在板材中的分布特征會引起7050鋁合金板材斷裂韌性各向異性。

對于大規格厚板，厚度越大，其厚度心部變形越不均勻，組織均勻性越差，導致了L-T方向斷裂韌性出現較大波動。

由此，結合上述測試結果我們得到一個結論：對于高規格材料，取樣尺寸不能太小，雖然得到的結果是KIC值，但偏差較大，有可能不能全面反映材料特性。因此，在能夠滿足要求的前提下，對高規格材料，在設備允許的情況下可以盡量取大厚度，以減小試樣方向對試驗結果的影響。

2.3 試樣殘余應力對試驗結果的影響

試樣的厚度已經滿足獲得材料有效的或有意義的KIC值的要求，但仍不能獲得有效的或有意義的KIC值。鍛件檢測結果見表5。

表5 鍛件K1C檢測結果

從表5數據可知：當材料的熱處理狀態為T74時，獲得有效KIC值的概率不大，而當熱處理狀態為T7452時，能真實反映材料斷裂韌度結果。其根本原因在于：T74狀態時，鍛件沒有經過預壓消除材料內部存在的殘余應力。當殘余應力存在時，會造成在試樣的機加工過程中殘余應力再分配引起試樣變形及彎矩；并且殘余應力會疊加在試樣所施加的外力上，使試樣切口處的應力分布不均勻，出現裂紋尖端應力集中，引起疲勞裂紋增長要么裂紋前沿曲率過大，要么裂紋不在平面增長，使所得的KIC或KQ結果增加。殘余應力也會造成P-V曲線上最初彈性部分的直線變成非線性，使測試結果因殘余應力的存在而偏離，不能真實反映材料的斷裂韌度值。

為了摸索出有效的檢測方法，將殘余應力對斷裂韌度結果的影響減少至最小，查閱相關資料后[5]，我們設計了一種或多種方式來測定材料的斷裂韌度值，測試結果見表6。

表6 鍛件7050T74不同方式下的K1C值

備注：根據ASTME399規定：

（1）試樣兩側表面處裂紋長度與平均裂紋長度之差都不超過平均裂紋長度的15%。

（2）P max/PQ≤1.1（F max/FQ≤1.1）

（3）韌帶尺寸W-a≥2.5（KQ/RP0.2）2

從表6分析可知：當屈服強度在450 MPa左右時，改變缺口形狀，將直通形缺口變為山形缺口，可以獲得有效的KIC值；而當屈服強度較低時，加大試驗應力比，可以改變裂紋前沿曲率過大或者裂紋不在平面增長的現象而獲得的KQ值，該KQ值可以用來評估在無殘余應力試樣中獲得的平面應變斷裂韌度KIC，指導生產工藝。這種針對7050-T74鍛件因殘余應力的存在無法獲得有效的KIC而采取的檢測方式，已用于生產檢測，在指導生產的同時滿足了檢測的需要。

3 結論

（1）材料的斷裂韌度測試結果與試樣的厚度大小有密切的關系，要想獲得材料有效的或有意義的KIC值，必須有對試樣的厚度有一個最低的要求，增大試樣厚度是獲得KIC值的有效方法。但通常在保證檢測結果有效的情況下，應采用較小試樣厚度，提高試樣加工和檢測進度。

（2）試樣方向對試驗結果的影響較大，不同厚度的材料加工成同一厚度（50.8 m）試樣時，LT方向的偏差較明顯，而T-L的方向比較接近；試樣厚度越接近材料厚度，L-T方向和T-L方向上的偏差就越小。

（3）7050-T74鍛件因殘余應力的存在而無法獲得有效的KIC值，應采取不同的檢測方式：當屈服強度在450 MPa左右時采用山形缺口，可以獲得有效的KIC值；而當屈服強度較低時，增大預制疲勞裂紋時的應力比，降低殘余應力對斷裂韌度值的影響，獲得的KQ值可以用來評估在無殘余應力試樣中獲得的平面應變斷裂韌度KIC，指導生產工藝。

通過對生產中常出現的斷裂韌度試驗結果影響因素的分析與總結，不僅可以指導生產，使檢測工作更快捷準確，而且有助于完善相應材料的試驗參數，正確評判或應用試驗結果。