讀書報(bào)告-鑄造鋁合金

1、鑄造鋁合金1引言汽車是目前應(yīng)用最廣泛的交通工具，現(xiàn)代汽車證朝著環(huán)保節(jié)能，輕量化的方向發(fā)展，而越來(lái)越嚴(yán)峻的能源問(wèn)題更使得減輕汽車自重、降低油耗成了各大汽車生產(chǎn)廠提高競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵。在輕量化金屬中，鎂合金密度雖比鋁合金小，但是鎂錠在零件制造過(guò)程中存在各種技術(shù)難關(guān)，如缺少高溫壓鑄合金和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，表面處理技術(shù)粗劣，結(jié)合水平低等，同時(shí)，高昂的成本使得鎂合金在汽車上的使用量相當(dāng)有限；而航空航天用的鈦合金機(jī)械性能優(yōu)異，但制造工藝和制造成本的問(wèn)題也使得鈦合金無(wú)法大批量的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)。而鋁及鋁合金在成本、制造技術(shù)、機(jī)械性能、可持續(xù)發(fā)展等方面綜合性能好，再加上密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，利用率高等優(yōu)勢(shì)，因此鋁

2、合金稱為現(xiàn)在及將來(lái)汽車工業(yè)中的首選輕金屬材料。2鋁的介紹所有鑄造鋁合金都是在純鋁的基礎(chǔ)上，加入各種不同的元素制成的，主要成分是鋁，因而其基本特性、物理性能和化學(xué)性能，切削加工性能等都和純鋁的性能密切相關(guān)。鋁是一種輕金屬，化學(xué)符號(hào)為Al，原子序數(shù)為13。鋁元素在地殼中的含量?jī)H次于氧和硅，居第三位，鋁通常以復(fù)雜的硅酸鹽形態(tài)存在，是地殼中含量最豐富的金屬元素。首先，鋁的輕量化是他它的一大特色，鋁的密度，僅為2.7 g/cm，為鐵的l/3左右。鋁的塑性可高達(dá)25，可以采用鍛、軋、壓等壓力加工方法制成各種管、板、棒、線等型材。鋁的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能很好，僅次于銀和銅，可用來(lái)制造電線、電纜等各種導(dǎo)電制品和各種

3、散熱器等導(dǎo)熱元件。純鋁在冷的醋酸、硝酸和有機(jī)酸中，具有很高的抗蝕性能，酸的濃度愈高，溫度愈低，其抗蝕性能愈好。但是純鋁的機(jī)械性能較低，因純度不同，波動(dòng)范圍較大。一般是純度愈低，抗拉強(qiáng)度和硬度愈高而塑性愈低。純鋁的熔點(diǎn)為660.37，隨著雜質(zhì)含量的增加，熔點(diǎn)下降，但鋁有很高的熔化潛熱，因而鋁的熔點(diǎn)雖較低，但熔化時(shí)需要消耗較多的熱能。純鋁的澆注溫度為700750，流動(dòng)性不好，鋁的線收縮率體收縮率均較大，因而純鋁的鑄造性能差，容易產(chǎn)生熱裂等鑄造缺陷，很少用來(lái)澆注各種鑄件。綜上所述，純鋁由于機(jī)械性能低，鑄造性能差而主要用來(lái)配制鋁合金，制作電線，電纜和制造家庭用器。3 鑄造鋁合金的介紹在純鋁中加入一些其

4、它金屬或非金屬元素所熔制的合金，既能保持純鋁的基本性能，又能通過(guò)合金化作用，使鋁合金獲得良好的綜合性能。特別是比重小，比強(qiáng)度高，綜合性能好等特色使得鋁合金廣泛運(yùn)用于航空、汽車制造業(yè)、動(dòng)力儀表、工具等配制鋁合金的元素，主要有硅、銅、鎂、鋅以及稀土元素等，這些元素在鋁中的加入量比較大，能影響鋁的機(jī)械性能和物理、化學(xué)性能。現(xiàn)在各類品種的鑄造鋁合金根據(jù)在鋁基體中加入的主要合金化元素，具體分為A1-Si系、A1-Cu系、AI-Mg系、Al-Zn系和A1-RE系類。各類鑄造鋁合金各有其特點(diǎn)：l Al-Si類合金（Si5）該類合金通常稱為硅鋁明，具有流動(dòng)性好，收縮率小，獲得致密鑄件，不易產(chǎn)生鑄造裂紋等優(yōu)勢(shì)。

5、相比較而言，A1-Si類合金力學(xué)性能不盡如人意，強(qiáng)度硬度一般，韌性較低，但是經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理之后所獲得的鑄造性能、切削加工性能和抗蝕性能使其成為制造業(yè)中最受重視的材料之一，是鑄造鋁合金中品種最多，用量最大的合金。其中A1-Si系合金中A356鋁合金的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 l Al-Cu類合金（Cu4）該類合金強(qiáng)度高，塑性和韌性較好，具有較高的室溫和高溫機(jī)械性能，主要作為耐熱和高強(qiáng)度鋁合金應(yīng)用。但鑄造性能較差，抗蝕性也較低，線膨脹系數(shù)較大，有“永久生長(zhǎng)”現(xiàn)象。此外，該系合金抗腐蝕性能較差，存在晶間腐蝕傾向，此類合金大多作為耐熱鋁合金和高強(qiáng)度鋁合金用。l Al-Mg類合金（Mg5）該類合金強(qiáng)度高，延展性和韌

6、性好，具有非常優(yōu)異的抗蝕性能，切削加工性能和力學(xué)性能較好，機(jī)械性能高，加工表面光亮美觀，比重最小。但熔煉、鑄造工藝比較復(fù)雜，易出現(xiàn)氧化夾渣、時(shí)效傾向和裂紋傾向等缺陷。除用作耐蝕合金外，是發(fā)展高強(qiáng)度鋁合金的基礎(chǔ)之一，也可作為裝飾用合金。l Al-Zn類合金鋅在鋁中的溶解度非常大，當(dāng)鋁中加入的鋅大于10時(shí)，能顯著提高合金的強(qiáng)度，該類合金的優(yōu)勢(shì)是不需熱處理就能使合金強(qiáng)化。但合金抗蝕性能差，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕傾向，鑄造時(shí)容易產(chǎn)生熱裂都限制該合金的應(yīng)用。l Al-RE（混合稀土）類合金該類合金應(yīng)用不多并未列入國(guó)標(biāo)。該類合金只有適用于在350至400溫度下工作的零件，具有很高的高溫強(qiáng)度，較好的熱穩(wěn)定性，室溫機(jī)

7、械性能相對(duì)較差。4鋁合金的強(qiáng)化純鋁的力學(xué)性能較差，不宜制作受力較大的結(jié)構(gòu)零件，所以常常用以下幾個(gè)方面對(duì)鋁進(jìn)行強(qiáng)化。4.1合金化純鋁的強(qiáng)度、硬度低，不適合制作受力的機(jī)械零件。通過(guò)研究各微量元素對(duì)合金鑄造性能和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化合金元素含量，使合金的力學(xué)性能得到大幅度提高，稱為合金化。這種強(qiáng)化是由鋁與合金元素形成的金屬化合物在固溶體中的溶解度為基礎(chǔ)的獲得鑄造鋁合金的有效方法之一。如圖1所示，能與鋁形成合金的許多金屬雖多，但既有較高溶解度又擁有顯著強(qiáng)化作用的元素只有Zn、Mg、Cu、Si、Mn等。元素t,極限溶解度元素t,極限溶解度wt%at%wt%at%Zn4437028.8Ti6651.30.

8、74Mg45017.418.5Cr6610.770.40Cu5485.652.4Cd6490.40.09Si5771.651.59V6610.40.21Mn6581.820.9Zr660.50.280.08Ag56656.613.8Sn2280.060.01Ge4247.22.7Fe6550.050.025Li6004.216.3Ni6400.040.02u 鋅元素Zn元素可以提高鋁合金中Cu的溶解度、溶解速率，同時(shí)還能提高合金塑性。不過(guò)單獨(dú)加入鋁中對(duì)提高合金強(qiáng)度來(lái)說(shuō)并沒(méi)有多大效果，同時(shí)容易造成腐蝕開裂現(xiàn)象。實(shí)際工藝過(guò)程中，同時(shí)加入Zn和Mg形成強(qiáng)化相來(lái)強(qiáng)化合金，并通過(guò)調(diào)整兩者的比例來(lái)優(yōu)化提高

9、抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕抗力。u 鎂元素Mg元素是Al-Si合金中主要的強(qiáng)化元素，鎂與鋁元素所形成的Mg2Si沉淀相有效提高了合金的性能。隨著鎂含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高。這類合金的突出特點(diǎn)是具有優(yōu)良的抗蝕性，同時(shí)切削性能和拋光性能很好。不足之處是在鑄造工藝中易出現(xiàn)氧化和熱裂紋缺陷，鑄造工藝性差。常配合Mn元素使鋁鎂化合物均勻沉淀，改善抗蝕性，降低熱裂傾向。u 銅元素銅是鋁合金中一種重要的元素，在鋁中的最大溶解度為 5.65,溫度降到302時(shí)，銅的溶解度為0.45。鋁銅合金中時(shí)效析出的CuAl2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。 鋁合金中銅含量通常在2.5 - 

10、5，銅含量在4.5-5.5時(shí)強(qiáng)化效果最好。不過(guò)隨著銅含量的增加，合金的耐蝕性能和鑄造工藝性降低。u 硅元素硅在固溶體中的最大溶解度為1.65，并隨著溫度降低而減少。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性，但一般是不能熱處理強(qiáng)化的。若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為Mg2Si。設(shè)計(jì)Al-Mg-Si系合金成分時(shí)，基體上按鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1的比例配置含量。同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響，加入適量的銅來(lái)提高強(qiáng)度。u 錳元素大多鋁合金中均含有錳元素，錳也可以單獨(dú)加入形成Al-Mn二元合金。錳在固溶體中的最大溶解度為1.82。隨溶解度增加合金強(qiáng)度也提高。當(dāng)錳含量為0.8時(shí)，延

11、伸率達(dá)最大值。錳能有效減小雜質(zhì)的有害影響，并能通過(guò)阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程來(lái)提高再結(jié)晶溫度，進(jìn)一步達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。不過(guò)錳元素過(guò)多，也會(huì)增加合金脆性，降低韌性。4.2細(xì)化及變質(zhì)處理 鋁合金制造過(guò)程中常常出現(xiàn)有裂紋、氧化夾渣、氣孔氣泡、縮松疏松等缺陷，所以實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常利用變質(zhì)處理的方法來(lái)細(xì)化合金組織。變質(zhì)處理指的是向金屬液內(nèi)添加少量物質(zhì)，促進(jìn)金屬液生核或改變晶體生長(zhǎng)過(guò)程的方法。我們?cè)诠I(yè)上常使用Na、Sr、Sb、Te、RE等類型的變質(zhì)劑。變質(zhì)處理的目的主要是細(xì)化晶粒、改善脆性相、改善晶粒形態(tài)和分布狀況。變質(zhì)處理的過(guò)程復(fù)雜，再加上熔煉、鑄造條件，合金元素及雜質(zhì)等影響因素，目前不存在一種能全面解釋

12、該過(guò)程的成熟理論。4.3熱處理鋁合金在鑄態(tài)下的機(jī)械性能往往不能滿足使用要求；所以除Al-Si系的ZL102，Al-Mg系的ZL302和Al-Zn系的ZL401合金外，都要通過(guò)熱處理進(jìn)一步提高鑄件的機(jī)械性能和其它使用性能。熱處理的目的，大致為以下幾個(gè)方面：（1）充分提高鑄件的機(jī)械性能，保證一定的塑性，提高合金抗拉強(qiáng)度和硬度，改善合金的切削加工性能等。（2）消除由于鑄件壁厚不均勻、快速冷卻等所造成的內(nèi)應(yīng)力。（3）穩(wěn)定鑄件的尺寸和組織，防止和消除因高溫引起相變產(chǎn)生體積脹大現(xiàn)象。（4）消除偏析和針狀組織，改善合金的組織和機(jī)械性能。圖1列出了鑄造鋁合金熱處理的分類和用途。4.3.1固溶強(qiáng)化 溶

13、質(zhì)元素溶入基體的晶格中，通過(guò)發(fā)生晶格畸變來(lái)達(dá)到提高變形抗力的目的，把這種作用稱為固溶強(qiáng)化。實(shí)際生產(chǎn)中把鑄件加熱到不超過(guò)共晶體熔點(diǎn)的盡可能高的溫度，保溫一定的時(shí)間，使強(qiáng)化相得到最大限度的溶解，然后快速冷卻得到過(guò)飽和固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸相差較大，并且溶質(zhì)原子的溶入量越多，固溶強(qiáng)化效果越好。如固溶處理Al-Si-Mg 類鑄造鋁合金后，能提高其強(qiáng)度和耐蝕性。這種強(qiáng)化方法帶來(lái)的塑性損失比較小，但并不能獲得特別高的強(qiáng)度。4.3.2時(shí)效強(qiáng)化鋁合金在高溫加熱淬火后變成過(guò)飽和固溶體，在一定溫度下保溫使其強(qiáng)度、硬度升高的過(guò)程稱為時(shí)效。實(shí)際生產(chǎn)中為消除固溶處理后的鑄件殘余的內(nèi)應(yīng)力并穩(wěn)定尺寸，

14、把鑄件重新加熱保溫一定時(shí)間后，放在空氣中讓鑄件緩慢冷卻至常溫的工藝稱為時(shí)效。合金具有時(shí)效強(qiáng)化特點(diǎn)的必要條件是：鋁合金中合金元素的固溶度要隨著溫度的升高而上升，上升越多，淬火獲得的固溶體的過(guò)飽和程度越小，時(shí)效強(qiáng)化效果越不明顯。此外過(guò)飽和固溶體的分解析出強(qiáng)化相的特點(diǎn)也會(huì)影響強(qiáng)化效果。4.3.3過(guò)剩相強(qiáng)化假如鋁合金中合金元素的數(shù)量超過(guò)了極限溶解度，則在固溶處理加熱時(shí)會(huì)有一部分不能溶入固溶體的第二相出現(xiàn)，稱為過(guò)剩相。在鋁合金中，這些過(guò)剩相通常是硬而脆的金屬間化合物。它們?cè)诤辖鹬凶璧K位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使合金強(qiáng)化，這稱為過(guò)剩相強(qiáng)化。在生產(chǎn)中經(jīng)常采用這種方式來(lái)強(qiáng)化鑄造鋁合金和耐熱鋁合金。過(guò)剩相數(shù)量越多，分布越彌散，

15、則強(qiáng)化效果越大。但過(guò)剩相太多，則會(huì)使強(qiáng)度和塑性都降低。過(guò)剩相成分結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，熔點(diǎn)越高，則高溫?zé)岱€(wěn)定性越好。5 鋁合金熱處理過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷5.1機(jī)械性能不合格機(jī)械性能和技術(shù)條件不符可能表現(xiàn)為：鑄件經(jīng)時(shí)效后，強(qiáng)度和硬度過(guò)高，而塑性過(guò)低：鑄件經(jīng)T4或T6處理后，強(qiáng)度和塑性都低于技術(shù)條件等。5.2過(guò)燒所謂過(guò)燒就是熱處理加熱超過(guò)某一溫度，在合金晶界上的低熔點(diǎn)共晶體開始熔化，出現(xiàn)了液相，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔?，液相收縮成團(tuán)狀、球狀或多角狀的復(fù)熔物，嚴(yán)重時(shí)在整個(gè)晶界上出現(xiàn)帶狀的復(fù)熔物，還會(huì)在工件表面上結(jié)瘤。這種過(guò)燒組織的出現(xiàn)，將使合金性能變壞，而且無(wú)法用熱處理方法進(jìn)行挽救，只能報(bào)廢。零件輕微過(guò)燒，對(duì)機(jī)械性能影

16、響不明顯，但零件的抗腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度將大大降低。所以必須用金相檢查來(lái)判斷鑄件是否過(guò)燒。5.3變形和裂紋鑄造鋁合金在熱處理過(guò)程中，特別是在淬火和時(shí)效時(shí)，在多相合金的零件內(nèi)部發(fā)生相變，改變了合金的相組成，因而引起零件尺寸的變化。加熱或冷卻愈激烈，熱處理過(guò)程中開始和終了之間溫度差愈大，零件的壁厚差愈大，在個(gè)別部位的表層與內(nèi)部之間的溫差也愈大，所產(chǎn)生的壓縮和拉伸以及原子之間的移動(dòng)和第二相的形成也就愈不均勻。由于以上的溫度梯度和相變將會(huì)在零件內(nèi)部引起殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)了合金的屈服極限，就會(huì)產(chǎn)生零件的變形，當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)了合金的強(qiáng)度極限，便使零件產(chǎn)生裂紋，以致斷裂。6鋁合金的疲勞性能6.1疲勞的分

17、類疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力、應(yīng)變引起的延時(shí)斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往往低于材料的抗拉強(qiáng)度b，甚至低于其屈服強(qiáng)度s，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性的突然斷裂，是一種非常危險(xiǎn)的失效形式，難以檢測(cè)和預(yù)防。鋁合金疲勞破壞屬于金屬疲勞，按破壞原因大致分為熱疲勞、腐蝕疲勞和機(jī)械疲勞三類。熱疲勞是由于在循環(huán)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。外部約束和內(nèi)部約束是產(chǎn)生熱疲勞的兩個(gè)必要條件，外部約束即阻礙材料自由膨脹，內(nèi)部約束即產(chǎn)生溫度梯度，使材料膨脹，但由于約束從而產(chǎn)生熱應(yīng)力與熱應(yīng)變，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)，導(dǎo)致裂紋的萌生、擴(kuò)展。腐蝕疲勞主要發(fā)生在化工設(shè)備或海洋等腐蝕環(huán)境中的金屬材料構(gòu)件。同時(shí)材料還承受著交變載荷的作用

18、，與侵蝕性環(huán)境的聯(lián)合作用往往會(huì)顯著降低構(gòu)件疲勞性能而產(chǎn)生開裂與破壞。機(jī)械疲勞是指機(jī)械零件在僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)情況下，即使承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。在循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較長(zhǎng)，稱之為高周疲勞，也稱應(yīng)力疲勞；在循環(huán)應(yīng)力水平較高時(shí)，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較短，稱之為低周疲勞，也稱塑性疲勞。6.2疲勞的破壞過(guò)程及機(jī)理 疲勞源即疲勞裂紋的萌生標(biāo)志鋁合金設(shè)備疲勞損傷過(guò)程的開始，疲勞源是材料微觀組織永久損傷的核心，裂紋萌生后，逐漸長(zhǎng)大并與其他裂紋合并然后形成宏觀主裂紋，萌生階段結(jié)束；接下來(lái)進(jìn)入了

19、裂紋擴(kuò)展階段，經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定擴(kuò)展后，裂紋達(dá)到了一個(gè)臨界尺寸，隨著下一次應(yīng)力、應(yīng)變的作用，構(gòu)件無(wú)法承受，裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展，構(gòu)件瞬間斷裂。用三個(gè)階段描述該過(guò)程：疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂階段。6.2.1裂紋萌生疲勞裂紋往往由于應(yīng)力集中，首先起源于物體內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的薄弱部位或高應(yīng)力區(qū),通過(guò)不均勻滑移，微裂紋形成及長(zhǎng)大。疲勞斷口上最顯著的特征是疲勞條帶，我們能觀察到類似于輪胎的痕跡。在交變應(yīng)力作用下，金屬表面產(chǎn)生不均勻滑移并形成駐留滑移帶，進(jìn)而駐留滑移帶上形成擠出峰和擠入槽（如圖2），導(dǎo)致裂紋的萌生。起始階段，裂紋長(zhǎng)度大致在0.050.1mm以內(nèi)或更小，對(duì)應(yīng)的循環(huán)周期被定為裂紋萌生期。隨著

20、疲勞過(guò)程的進(jìn)行，微觀裂紋便會(huì)發(fā)展成為宏觀裂紋。鋁合金材料疲勞裂紋萌生方式主要有表面滑移帶開裂，第二相、夾雜物與基體界面或夾雜物本身開裂，晶界和亞晶界開裂三種，如圖3所示。6.2.2裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋萌生階段結(jié)束，之后進(jìn)入裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段，第一階段是沿主滑移系，以最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，擴(kuò)展速率極低，其延伸范圍只有幾個(gè)晶粒長(zhǎng)度的大小，隨即疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第二階段，在晶界的阻礙作用下，使擴(kuò)展方向逐漸垂直于主應(yīng)力即拉應(yīng)力方向，并形成形成主裂紋，直至最后形成剪切唇，如圖4所示。第一階段的裂紋擴(kuò)展速度慢，長(zhǎng)度小，所以該階段的形貌特征并不明顯。而第二階段的穿晶擴(kuò)展，其擴(kuò)展速率隨循環(huán)周次增加而增大，擴(kuò)展程度

21、也較為明顯，多數(shù)材料的第二階段可用能用肉眼觀察到，或者用電子顯微鏡來(lái)觀察疲勞條紋。不同材料的疲勞條紋差異巨大，有斷口比較平滑而且呈貝紋、海灘花樣分布，有與裂紋擴(kuò)展方向垂直略呈彎曲的溝槽狀花樣，還有以源區(qū)為中心的放射線，疲勞條紋是疲勞斷口最有代表性的特征。一般情況下，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在整個(gè)斷口所占面積較大。疲勞裂紋擴(kuò)展階段是整個(gè)材料疲勞壽命的最主要組成部分。不同鋁合金材料裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)階段的壽命也不同。在材料表面光滑試件中，第一階段的擴(kuò)展時(shí)間占整個(gè)疲勞壽命的絕大部分；而在有缺口的試件中，第一階段幾乎可以忽略，第二階段的傳播是整個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展的壽命。6.2.3裂紋失穩(wěn)疲勞裂紋擴(kuò)展到某臨界長(zhǎng)度時(shí)，物體

22、殘存截面不足以承抵外載荷，會(huì)在某一次加載下發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致迅速斷裂，這一階段是構(gòu)件壽命的最后階段，失穩(wěn)擴(kuò)展到斷裂這一短暫過(guò)程對(duì)于構(gòu)件壽命的貢獻(xiàn)是可以忽略的，裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域稱為瞬斷區(qū)，材料性質(zhì)不同，斷口相貌也截然不同。6.3疲勞壽命6.3.1 疲勞裂紋的影響因素 材料內(nèi)因合金成分不同，疲勞特性也不盡相同，成分決定合金組織和強(qiáng)化效果；同時(shí)合金的顯微組織和冶金缺陷也在很大程度上影響合金的疲勞特性，如夾雜物、偏析、疏松、晶粒大小不均等因素會(huì)誘發(fā)裂紋源的產(chǎn)生，同時(shí)合金制備過(guò)程中難以避免的方向性使材料的不同方向的疲勞特性也有所差異。 構(gòu)件狀態(tài)合金表面粗糙度及工件結(jié)構(gòu)如尺寸、幾何形狀

23、、表面的溝槽、壁厚均勻性等，是影響合金疲勞特性不可小覷的因素。 工作條件載荷的大小和加載方式及加載頻率是合金材料疲勞壽命的決定性因素。同時(shí)材料壽命也受工作環(huán)境如溫度、周邊介質(zhì)等因素影響。鋁合金疲勞特性的影響因素很多，從單一或幾個(gè)因素的考慮對(duì)鋁合金材料疲勞壽命進(jìn)行研究并不準(zhǔn)確，建立相應(yīng)的科學(xué)模型，綜合考慮所有因素從而精確地預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命是需要進(jìn)一步深入研究的重點(diǎn)。6.3.2疲勞壽命的估算方法疲勞損傷造成的災(zāi)難導(dǎo)致了巨額的財(cái)產(chǎn)損失，所以構(gòu)件的疲勞壽命估算一直備受矚目，其研究探索在近百年的時(shí)間內(nèi)從未間斷，1945年Miner在對(duì)疲勞累積損傷問(wèn)題進(jìn)行大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將Palmgren于192

24、4年提出的線性累積損傷理論公式化，形成了Palmgren-Miner線性累積損傷法則；1963年P(guān)aris在斷裂力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，提出了表達(dá)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的Paris公式，此后又發(fā)展有損傷容限設(shè)計(jì)；1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變分析估算疲勞壽命的方法局部應(yīng)力-應(yīng)變法，還有許多出色的研究人員提出的諸多計(jì)算方法，以下簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)今在疲勞壽命估算方面三種主要運(yùn)用的方法。 累積損傷理論Miner理論是典型的線性累計(jì)損傷理論，Miner公式為：其中n表示不同大小的載荷，N表示不同載荷單獨(dú)作用下出現(xiàn)裂紋的破壞次數(shù)，N表示總的循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。當(dāng)循環(huán)周期

25、內(nèi)載荷對(duì)構(gòu)件所造成的損傷累計(jì)加至1時(shí)，構(gòu)件即發(fā)生破壞；其簡(jiǎn)單直觀，在工程上被廣泛應(yīng)用，并由此衍生了最早的抗疲勞設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力法，其以材料或零件的S-N曲線描述材料的疲勞特性，根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，結(jié)合線性累計(jì)損傷理論進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。但名義應(yīng)力法以材料力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，不考慮疲勞過(guò)程中的塑性變形，對(duì)發(fā)生高應(yīng)力局部屈服的疲勞破壞并不適用。 局部應(yīng)力-應(yīng)變法局部應(yīng)力-應(yīng)變曲線法認(rèn)為構(gòu)件的整體疲勞性能，取決于最危險(xiǎn)區(qū)域的局部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。其先實(shí)驗(yàn)測(cè)定應(yīng)力、應(yīng)變和疲勞斷裂壽命的曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，接下來(lái)結(jié)合Neuber公式進(jìn)行缺口時(shí)間在隨機(jī)加載下的局部應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)分析，進(jìn)行每一次循環(huán)的損傷計(jì)算，最后按線性累積模型求得疲勞損傷量，估算出壽命。修正后的Neuber公式為：其中S、分別為名義應(yīng)力幅值、局部應(yīng)力幅值和局部應(yīng)變幅值。缺口疲勞系數(shù)是一個(gè)靜態(tài)參數(shù)，無(wú)法精確求解。名義應(yīng)力法沒(méi)有考慮疲勞過(guò)程中的塑性變形，局部應(yīng)力-應(yīng)變法彌補(bǔ)了這一缺陷，只要掌握材料試樣的循環(huán)應(yīng)變、應(yīng)力與壽命關(guān)系的