不同粉塵顆粒對7N01-T6鋁合金疲勞裂紋擴展行為的影響機理

唐雄輝，賀冠強，曾祥浩，吳書舟，王玉斌，唐振恒，陳宇強

(1.株洲中車時代電氣股份有限公司軌道交通技術(shù)中心，株洲 412001；2.湖南科技大學(xué)高功效輕合金構(gòu)件成形技術(shù)及耐損傷性能評價湖南省工程研究中心，湘潭 411201)

0 引 言

7N01-T6鋁合金具有密度小、比強度高和成形性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域[1]。隨著高鐵運行速度的不斷提高以及運營里程的不斷增加，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。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)境會提高鋁合金的裂紋擴展門檻值并降低疲勞裂紋擴展速率，鋁合金的疲勞壽命隨著溫度的降低而明顯增加；高溫環(huán)境會提高鋁合金中位錯的可動性，從而顯著降低鋁合金的疲勞強度[5-6]。環(huán)境濕度越大，鋁合金的疲勞性能越差，這主要是因為水氣中的氫原子容易擴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，并對疲勞裂紋擴展行為產(chǎn)生影響。當應(yīng)力比為0.1、應(yīng)力強度因子范圍ΔK為10 MPa·m1/2時，鋁合金在氧化鋁顆粒作用下的裂紋擴展速率比空氣環(huán)境下降低了60%[12]，而在石墨顆粒作用下的裂紋擴展速率則增加了近一倍[13]。眾所周知，列車在實際運行過程中經(jīng)常會穿過富含揚塵的城郊、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展行為影響的研究還鮮有報道。為此，作者選取了揚塵和煤塵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 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度8.0 mm的7N01-T6鋁合金板，由西南鋁業(yè)公司提供，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為4.34Zn，1.94Mg，0.24Cr，0.2Cu，余Al，其室溫抗拉強度為387.0 MPa,屈服強度為340.5 MPa，斷后伸長率為10.0%，彈性模量為72.3 GPa。試驗用揚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行干燥處理。

采用Master Sizer 2000型激光粒度分析儀對粉塵顆粒的粒徑進行分析，激光電源功率為10 mW，測定波長為633 nm，測試范圍為0.02～2 000 μm。利用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對粉塵顆粒進行物相分析，工作電壓為35 kV，工作電流為40 mA，掃描速率為8(°)·min-1，步長為0.01°。按照GB/T 6398-2017在MTS-Landmark型高頻疲勞試驗機上進行疲勞裂紋擴展試驗，試驗裝置如圖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8.0 mm，具體形狀和尺寸如圖1(b)所示；加載波形為正弦波，頻率為10 Hz，應(yīng)力比為0.1和0.5；裂紋的長度及應(yīng)力強度因子范圍根據(jù)GB/T 6398-2017通過柔度法獲得。粉塵顆粒用聚氯乙烯膜包裹在C(T)試樣的裂紋擴展區(qū)域中，使顆粒充分地進入裂紋中，如圖1(c)所示。利用掃描電鏡準原位觀察方法對不同粉塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展行為進行觀察，所用準原位觀察試樣的厚度為2 mm，并在試樣一側(cè)預(yù)制了一條長0.5 mm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)境下進行一定周次的疲勞試驗后，利用SU3500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞裂紋擴展形貌，直至試樣斷裂。

圖1 疲勞試驗裝置、C(T)試樣的形狀和尺寸以及粉塵顆粒的分布示意

圖2 準原位觀察試樣的尺寸

2 試驗結(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，揚塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別為28，56 μm。研究[14-15]表明，空氣中顆粒物的大小常用空氣動力學(xué)直徑來表示，其粒徑范圍為0.01～100 μm，這與實際粉塵粒徑測試結(jié)果相吻合。

圖3 揚塵顆粒和煤塵顆粒的粒徑分布曲線

由圖4可以看出，揚塵顆粒和煤塵顆粒均呈塊狀，顆粒尺寸在5～50 μm之間，其中揚塵顆粒的平均尺寸小于煤塵顆粒。

圖4 揚塵顆粒和煤塵顆粒的SEM形貌

由圖5可以看出：2種粉塵顆粒的物相均十分復(fù)雜，其中揚塵顆粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)和CaMg(CO3)2等物相，而煤塵顆粒中主要存在SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9(OH)3]、Al2(Si2O5)(OH)4和CaMg(CO3)2等物相。

圖5 揚塵顆粒和煤塵顆粒的XRD譜

2.2 鋁合金的裂紋擴展速率曲線

由圖6可以看出，應(yīng)力比0.1條件下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率曲線包括疲勞裂紋萌生階段(第I階段)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段(第Ⅱ階段)、疲勞裂紋快速擴展階段(第Ⅲ階段)。隨著應(yīng)力強度因子范圍的增加，疲勞裂紋擴展速率單調(diào)遞增。在應(yīng)力強度因子范圍小于18 MPa·m1/2的裂紋擴展階段，揚塵顆粒和煤塵顆粒能明顯降低鋁合金的疲勞裂紋擴展速率。當應(yīng)力強度因子范圍約為10 MPa·m1/2時，揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率比空氣環(huán)境下分別降低了24.5%和45.1%。當疲勞裂紋進入快速擴展階段，即應(yīng)力強度因子范圍大于23 MPa·m1/2時，鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率差異減小。

圖6 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境中的疲勞裂紋擴展速率曲線

由圖7可以看出，與應(yīng)力比0.1條件下相比，應(yīng)力比0.5條件下鋁合金在3種環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率較大，這是因為在相同應(yīng)力強度因子范圍下，應(yīng)力比的增加會弱化裂紋閉合效應(yīng)[16]，從而增大有效應(yīng)力強度因子范圍(ΔKeff)，使裂紋更容易擴展。在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強度因子范圍小于6 MPa·m1/2的裂紋擴展階段，揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率低于空氣環(huán)境下，當應(yīng)力強度因子范圍約為10 MPa·m1/2時，揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率相近，相比空氣環(huán)境下分別降低了10.1%和11.9%，明顯小于應(yīng)力比為0.1時的降低幅度。當應(yīng)力強度因子范圍大于13 MPa·m1/2時，3種環(huán)境下的疲勞裂紋均進入快速擴展階段，其疲勞裂紋擴展速率的離散性明顯增大且差異性變得不明顯。

圖7 應(yīng)力比0.5條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率曲線

2.3 鋁合金的疲勞斷口形貌

由圖8和表1可知：在應(yīng)力比為0.1、應(yīng)力強度因子范圍約為10 MPa·m1/2條件下，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞斷口表面平坦，無明顯雜質(zhì)，斷口表面的疲勞輝紋間距為0.70 μm，并且在部分斷面區(qū)域出現(xiàn)了大量的微坑和破裂的第二相粒子；揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口表面分別附著大量揚塵顆粒和煤塵顆粒，在這2種環(huán)境下的疲勞輝紋間距分別為0.63，0.42 μm，均小于空氣環(huán)境下。

表1 圖8中不同位置的EDS分析結(jié)果

圖8 應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強度因子范圍約10 MPa·m1/2條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口SEM形貌

由圖9可以看出：在應(yīng)力比為0.5、應(yīng)力強度因子范圍約為10 MPa·m1/2條件下，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞斷口表面有許多微坑，疲勞輝紋間距為0.67 μm；揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下疲勞斷口表面分別分布了許多揚塵顆粒和煤塵顆粒，疲勞輝紋間距分別為0.55，0.51 μm。

圖9 應(yīng)力比0.5、應(yīng)力強度因子范圍約10 MPa·m1/2條件下7N01-T6鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞斷口SEM形貌

2.4 鋁合金疲勞裂紋擴展的準原位形貌

由圖10可以看出：經(jīng)7 117周次加載后，鋁合金在空氣環(huán)境下的疲勞裂紋近似鋸齒狀，部分鋸齒狀裂紋處的上下斷面出現(xiàn)了明顯的提前閉合現(xiàn)象，造成上下斷面出現(xiàn)了約0.89 μm的裂紋閉合間隙[17]，同時裂紋尖端存在規(guī)則的平行滑移帶和微裂紋；疲勞加載次數(shù)增加至7 874周次后，在原裂紋尖端(圖中圓圈)處主裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生了一定的平行滑移帶和少量微裂紋，隨著裂紋長度的增加，裂紋閉合間隙增加至1.10 μm。當加載7 954周次后，裂紋貫穿試樣，試樣斷裂。

圖10 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在空氣環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴展準原位SEM形貌

由圖11可以看出：鋁合金在煤塵顆粒環(huán)境下加載7 839周次時的裂紋閉合間隙為1.02 μm，且在裂紋尖端出現(xiàn)了許多不規(guī)則的滑移帶；加載8 693周次后，主裂紋上出現(xiàn)2處長約25.3 μm和34.4 μm的裂紋分支，裂紋中存在大量煤塵顆粒，這些顆粒能有效增強閉合效應(yīng)，此時裂紋閉合間隙達到1.37 μm；加載9 210周次后，裂紋尖端附近的不規(guī)則滑移帶和微裂紋增多，導(dǎo)致裂紋的擴展路徑相比空氣環(huán)境更加曲折。

圖11 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在煤塵顆粒環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴展準原位SEM形貌

由圖12可以看出：鋁合金在揚塵顆粒環(huán)境下加載8 482周次后的裂紋中存在明顯的揚塵顆粒，增加了裂紋閉合效應(yīng)，此時裂紋閉合間隙達到1.15 μm；加載8 688周次后，在揚塵顆粒環(huán)境下的裂紋尖端存在大量的滑移帶痕跡，此時裂紋閉合間隙為1.28 μm；加載9 510周次后，雖然疲勞裂紋擴展已經(jīng)進入后期快速擴展階段，但此時揚塵顆粒仍可明顯增加裂紋閉合程度，裂紋閉合間隙約為3.46 μm，并且裂紋尖端附近產(chǎn)生了大量滑移帶和微裂紋，使裂紋擴展路徑變得更為曲折。

圖12 應(yīng)力比0.1條件下7N01-T6鋁合金在揚塵顆粒環(huán)境下經(jīng)不同周次加載后的疲勞裂紋擴展準原位SEM形貌

在理想的情況下，疲勞裂紋擴展速率取決于裂紋尖端的應(yīng)力強度因子范圍(ΔK=Kmax-Kmin，其中Kmax和Kmin分別為疲勞加載過程中裂紋尖端的最大應(yīng)力強度因子和最小應(yīng)力強度因子[18])。在實際疲勞裂紋擴展過程中，裂紋總是在裂紋尖端應(yīng)力強度因子大于Kmin時就發(fā)生提前閉合。大量研究[19]表明，由于接觸表面之間存在明顯的摩擦力，裂紋在裂紋尖端應(yīng)力強度因子達到Kop(裂紋面接觸時的應(yīng)力強度因子)處會發(fā)生提前閉合。學(xué)者們普遍認為疲勞裂紋在閉合后不會發(fā)生擴展，因此裂紋的擴展取決于ΔKeff(ΔKeff=Kop-Kmin)。在空氣環(huán)境中，裂紋上下斷面較大的粗糙度造成了裂紋的提前閉合，使得上下斷面間出現(xiàn)裂紋閉合間隙。當裂紋的總長度接近時，揚塵顆粒、煤塵顆粒環(huán)境下的裂紋閉合間隙明顯大于空氣環(huán)境，說明在揚塵顆粒和煤塵顆粒作用下，裂紋更早閉合，即揚塵顆粒和煤塵顆粒可有效提高疲勞裂紋的閉合程度，從而抑制裂紋的擴展。此外，在相同環(huán)境下，煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率略低于揚塵顆粒環(huán)境，這可能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明顯大于揚塵顆粒從而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。2種粉塵顆粒進入裂紋中后，會影響裂紋尖端的應(yīng)力分布，使裂紋附近產(chǎn)生更多的不規(guī)則滑移帶和由不規(guī)則滑移帶引發(fā)的微裂紋/裂紋分叉[12]。隨著加載過程的進行，微裂紋最終擴展為裂紋分支，導(dǎo)致主裂紋偏轉(zhuǎn)，并極大地消耗擴展能量，從而降低裂紋擴展速率。

3 結(jié) 論

(1)揚塵顆粒和煤塵顆粒的平均粒徑分別為28，56 μm，揚塵顆粒的平均尺寸小于煤塵顆粒，揚塵顆粒主要含有SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)和CaMg(CO3)2等物相，而煤塵顆粒中主要存在SiO2、CaCO3、Na(AlSi3O8)、K[Al4Si2O9(OH)3]、Al2(Si2O5)(OH)4和CaMg(CO3)2等物相。

(2)在應(yīng)力比0.1、應(yīng)力強度因子范圍小于18 MPa·m1/2的裂紋擴展階段，7N01-T6鋁合金在揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率明顯低于在空氣環(huán)境下，且煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞擴展速率最低，這可能是由于煤塵顆粒的平均粒徑明顯大于揚塵顆粒從而加劇了裂紋閉合效應(yīng)所致。隨著應(yīng)力比增至0.5后，鋁合金在空氣、揚塵顆粒和煤塵顆粒3種環(huán)境下的疲勞擴展速率明顯增大，且揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率與空氣環(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)。

(3)與空氣環(huán)境相比，揚塵顆粒和煤塵顆粒環(huán)境下鋁合金中的疲勞裂紋發(fā)生較多次偏轉(zhuǎn)，裂紋擴展路徑更加曲折；粉塵顆粒增加了疲勞加載過程中的裂紋閉合間隙，促進裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，抑制裂紋的擴展；粉塵顆粒影響裂紋尖端應(yīng)力分布，導(dǎo)致裂紋尖端產(chǎn)生大量的滑移帶以及微裂紋或裂紋分支，極大地消耗了擴展能量，從而降低了裂紋擴展速率。