8090鋁鋰合金物理短裂紋擴(kuò)展行為

8090鋁鋰合金物理短裂紋擴(kuò)展行為

1短裂紋da/dn鋁鐵粉具有良好的縱向和橫向疲勞裂紋的抗擴(kuò)張力。例如，2000年和7000年的dn和dap不超過1.3個(gè)鉻線，但顯示出強(qiáng)烈的短裂紋效應(yīng)。短裂紋的dapdn可以超過幾個(gè)級(jí)別的長(zhǎng)裂紋，其門檻值僅為長(zhǎng)裂紋的1.6。任何一種新型航空航天材料的應(yīng)用前景都與它的短裂紋特性密切相關(guān),國(guó)外一些航空公司已把鋁鋰合金疲勞短裂紋特性作為是否在航空器上大量應(yīng)用鋁鋰合金的關(guān)鍵因素。疲勞短裂紋的非擴(kuò)展傾向是評(píng)價(jià)疲勞斷裂特性的一個(gè)重要方面,然而,迄今國(guó)際上有關(guān)鋁鋰合金非擴(kuò)展短裂紋的研究報(bào)道非常少。本工作重點(diǎn)研究了8090鋁鋰合金物理短裂紋的非擴(kuò)展傾向、機(jī)理及評(píng)定尺度。2縱向力學(xué)性能及疲勞試驗(yàn)頻率本研究工作選用12mm鋁鋰合金板,經(jīng)530℃、1.5h固溶處理;隨后經(jīng)3.5%預(yù)拉伸變形和190℃、12h人工時(shí)效。其化學(xué)成分(Wt-%)為:Cu1.4,Li2.6,Mg1.1,Zr0.13,Fe0.1,Si0.06,Al余量?？v向力學(xué)性能為:σb539MPa;σ0.2488MPa;δ6.1%。疲勞試驗(yàn)選用CT試樣,W=38mm,B=10mm。試驗(yàn)頻率35Hz,正弦波,R=0.1。門檻值測(cè)定采用降載幅法,每級(jí)降載幅2～10%,裂紋擴(kuò)展量大于前級(jí)載幅的裂尖塑變區(qū)的4倍。用光學(xué)法監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展,測(cè)量誤差小于0.01mm。裂紋閉合效應(yīng)的測(cè)定采用柔度法。試驗(yàn)過程中,試樣兩表面的裂紋長(zhǎng)度差控制在0.1mm以內(nèi)。在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制出裂紋之后,用降載幅法達(dá)到門檻值,以獲得最小的裂尖塑變區(qū),隨后用線切割挖除裂尖后方裂紋面,得到0.1～0.3mm的穿透短裂紋,以此作為短裂紋的起始長(zhǎng)度。3應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值k物理短裂紋與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展行為的比較示于圖1。由圖可見,物理短裂紋擴(kuò)展抗力遠(yuǎn)低于長(zhǎng)裂紋,在ΔK低于長(zhǎng)裂紋門檻值時(shí),物理短裂紋仍可擴(kuò)展。還可看到,在恒載幅下,物理短裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的變化呈兩種情況,其一,隨物理短裂紋擴(kuò)展,ΔK增大,da/dN升高,規(guī)律同于長(zhǎng)裂紋;其二,隨物理裂短擴(kuò)展,ΔK增大,da/dN非但未升高,反而下降,最后轉(zhuǎn)變成為非擴(kuò)展短裂紋,呈與長(zhǎng)裂紋完全相反的規(guī)律。材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力不僅來自裂尖前方,而也來自裂尖的后方,或者說,材料的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力不僅指抵抗裂尖前進(jìn)的抗力,還包括抵抗裂紋張開的抗力。裂尖前方的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂尖前進(jìn)的阻礙作用構(gòu)成抵抗裂尖前進(jìn)的抗力。裂尖后方的塑變區(qū)、粗糙裂紋面和裂紋面上氧化物對(duì)裂紋張開的阻礙作用構(gòu)成抵抗裂紋張開的抗力,分別稱之為塑變區(qū)誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)、粗糙度誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)和氧化物誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)。裂紋閉合效應(yīng)一般以裂紋張開應(yīng)力強(qiáng)度因子KoP衡量。因?yàn)?裂紋張開是裂紋擴(kuò)展的先決條件,故裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的一部分首先消耗于張開裂紋,其余部分用于推動(dòng)裂尖前進(jìn)。這樣,可將名義裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力——應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK分為兩部分,ΔK=ΔKoP+ΔKeff。裂紋張開應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔKoP(=KoP-Kmin)用于克服裂紋閉合效應(yīng),使裂紋張開;有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔKeff(=Kmax-KoP)用于推動(dòng)裂尖前進(jìn),故亦稱之為裂尖局部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力。裂紋閉合效應(yīng)對(duì)裂尖前進(jìn)沒有直接的阻礙作用,但它消耗了部分裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力,從而減小了裂尖局部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力,起到保護(hù)裂尖的作用,故稱之為裂尖屏蔽。Kmax、KoP等隨裂紋尾跡Δa的變化示于圖2。由圖可見,隨裂紋尾跡增長(zhǎng),Kmax、Kmin和KoP同時(shí)增大,但KoP的增大率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Kmax和Kmin,尤其在裂紋尾跡很短時(shí),因此,ΔKoP增大而ΔKeff減小。因?yàn)?裂紋閉合效應(yīng)來自裂尖后方,它的大小對(duì)裂紋尾跡有很大的依賴性,因此,隨短裂紋擴(kuò)展,尾跡增長(zhǎng),閉合效應(yīng)增大,更高的裂尖屏蔽效應(yīng)獲得,裂尖局部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力ΔKeff減小。顯然,這是擴(kuò)展短裂紋的擴(kuò)展速率逐步下降和最終轉(zhuǎn)變成為非擴(kuò)展短裂紋的原因。根據(jù)裂紋閉合效應(yīng)的理論,名義(表觀)應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻幅值可分為兩部分,ΔKth=Kcl·th+ΔKi。裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻幅值ΔKcl·th(=Kcl·th-Kmin·th)源于裂尖后方的裂紋閉合效應(yīng),表征抵抗裂紋張開的抗力。本征應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻幅值ΔK1(ΔKeff·th-Kmax·th-Kcl·th)源于裂尖前方的微觀結(jié)構(gòu),表征抵抗裂尖前進(jìn)的能力。ΔKth、ΔKcl·th和ΔKi隨裂紋尾跡Δa的變化示于圖3。由圖可見,裂紋尾跡小于某值Δar時(shí),ΔKth隨Δa下降而下降,反之,Δa大于Δar時(shí),ΔKth為常量。可見,物理短裂紋與長(zhǎng)裂紋的重要區(qū)別之一是門檻值是否隨尾跡變化,Δar系物理短裂紋的尺寸上界值。與ΔKth的變化規(guī)律相同,長(zhǎng)裂紋(Δa>Δar)的AKcl·th為常量,而短裂紋(Δa<Δar)的ΔKcl·th隨Δa減小而下降,顯然,這是短裂紋門檻隨裂紋尾跡下降的根本原因。各種尺寸短裂紋及長(zhǎng)裂紋的ΔKi是相同的,說明了長(zhǎng)、短裂紋非擴(kuò)展的條件是相同的,均為ΔKeff小于ΔKi,它們的差別僅僅在于尾跡不同,而具有不同的裂尖屏蔽效應(yīng)。由短裂紋門檻值隨尾跡的變化規(guī)律,不難理解擴(kuò)展短裂紋轉(zhuǎn)變成為非擴(kuò)展短裂紋的機(jī)理。極短裂紋的門檻值很低,它在ΔK較低時(shí)仍處于可擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),由于其門檻值在裂紋擴(kuò)展過程中隨裂紋尾跡增長(zhǎng)而升高,進(jìn)而使之轉(zhuǎn)入非擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。顯然,當(dāng)短裂紋在恒載幅條件下擴(kuò)展時(shí),只要在其尾跡尺寸達(dá)到Δar而ΔK仍未超過長(zhǎng)裂紋門檻值,它就會(huì)轉(zhuǎn)變成非擴(kuò)展短裂紋。由此可得出進(jìn)一步的結(jié)論,一種合金的物理短裂紋非擴(kuò)展傾向與其長(zhǎng)裂紋門檻值和Δar密切相關(guān),長(zhǎng)裂紋門檻值愈高和Δar愈低,物理短裂紋非擴(kuò)展傾向愈強(qiáng),因此,這兩個(gè)參數(shù)在一定意義上可作為衡量物理短裂紋非擴(kuò)展傾向的尺度。鋁鋰合金的平面滑移性和強(qiáng)織構(gòu)使其裂紋擴(kuò)展途徑曲折和裂紋面極粗糙,其粗糙裂紋面間的楔入作用使之獲得很高的粗糙度誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng),這是該合金具有優(yōu)良疲勞長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展抗力的主要原因。然而,由于它的本征疲勞裂紋擴(kuò)展抗力較低,閉合效應(yīng)在裂紋很短時(shí)十分有限,因之,這種合金表現(xiàn)出高的短裂紋效應(yīng),其疲勞裂紋擴(kuò)展抗力隨尾跡的下降較普通鋁合金更為劇烈,為此,不少人對(duì)在航空航天器上大量應(yīng)用鋁鋰合金有所擔(dān)憂。但應(yīng)注意,鋁鋰合金較普通鋁合金有更高的長(zhǎng)裂紋門檻值和相近的物理短裂紋尺寸上界值,意味著該合金物理短裂紋的非擴(kuò)展傾向強(qiáng)于普通鋁合金,在綜合評(píng)價(jià)鋁鋰合金疲勞短裂紋特性時(shí)應(yīng)包括其非擴(kuò)展傾向的影響。4擴(kuò)展短裂紋演變(1)8090鋁鋰