综述-铝合金疲劳及断口分析

文献综述（2011 级）铝合金疲劳及断口分析胡伟 201111514 金属材料工程 2011级03班黄俊老师材料科学与工程学院 2 0 15 年 4 月 1 2 日

铝合金疲劳及断口分析

1绪论设计题目

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学

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指导教师

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1.1引言

7系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。

现代工业的飞速发展，对7系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。

1.2 7系铝合金的发展历史

在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金基础上成功地开发了7075、B93和D。T。D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国

科学家公布了具有优良焊接性能的合金AIZnMgl和AIZnMg2引起了人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。在此段时间，美国学者在AIZnMgl合金的基础上，加入了Zr、Mn Cr等元素，研制出了7004和7005合金，具有优良焊接性和抗应力腐蚀性能，广泛应用于焊接行业。唯一不足的

是，工艺性能较差。日本科学家尝试降低合金中Mg含量，提高Zn/Mg值，研制出了ZK60和ZK61合金，使合金的焊接性和工艺性能提高，但是降低了很大的强度。同时期内，前苏联也研制出了1915、1933合金，强度也是偏低。为了克服强度低的缺点，20世纪70年代又研制出7020合金，具有高强度，焊接性好的性能。以后，人们把注意力集中在了Al-Zn-Mg系铝合金上。20世纪80年代初，美国科学家先后在7075合金的基础上，为了解决实际生产中抗应力腐蚀敏感性较高的问题，以及满足某些特殊需要，调整了部分合金元素的含量，发展了许多新型合金。

相比之下，国内对7系铝合金的研究起步较晚，在20实际80年代，由东北和北京研究院研制Al-Zn-Mg系铝合金。目前主要有7050、7075、7175等合金产品。20世纪90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制出7A55超高强铝合金，近几年又研制出强度更高的7A60合金。而在AI2Zn2Mg系铝合金的研制上，国内基本都是仿制，很少自行开发。

1.3铝合金疲劳的分类

1.3.1疲劳的定义

疲劳断裂是由于交变载荷、应力下引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度（7 b,有时甚至低于屈服强度（7 S。一般情况下，疲劳破坏不发生明显的塑性变形，其变形主要是脆性断裂，是一种没有预兆、十分危险的破坏形式，难以检测、预防。

铝合金的疲劳，按疲劳破坏原因可分为三类：热疲劳、腐蚀疲劳和机械疲劳。

1.3.2热疲劳

铝合金的热疲劳是在交变应力和热应力共同作用下产生的疲劳破

坏。外部约束和内部约束是产生热疲劳的两个必要条件，外部约束即阻碍材料自由膨胀，内部约束即产生温度梯度，使材料膨胀，但由于约束从而产生热应力与热应变，经过一定的循环次数，导致裂纹的萌生、

扩展。张文孝等研究了LD8铝合金的同相和异相热疲劳特性，应用弹塑性断裂力学方法对不同状态下热疲劳寿命进行了探讨。

1.3.3腐蚀疲劳

长期在化工行业使用或者海水中使用的金属材料，处于腐蚀的环境中，此外还承受交变载荷作用，与正常环境下的金属材料相比，腐蚀性环境和交变载荷同时作用，会显著降低材料的疲劳性能，从而产生构件的破坏，以至于最终断裂。

宫玉辉等研究了不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响，发现腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用，但不同环境腐蚀和不同温度对材料的低周疲劳性能影响不大。王成等将不同浓度硅酸钠添加到铝合金中，发现其可以抑制铝合金的点蚀、减少裂纹源，提高铝合金在氯化钠溶液中抗点蚀的能力及腐蚀疲劳寿命，但对铝合金的腐蚀疲劳裂纹的扩展无法抑制。

1.3.4机械疲劳

机械零部件在外加应力或者应变作用下将会产生机械疲劳，经长时间工作后，即使所受应力小于材料屈服点，仍然会产生裂纹，或者产生断裂。在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称之为高周疲劳，也称应力疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称之为低周疲劳，也称塑性疲劳。李睿等对2024-T3铝合金孔板进行了高低周复合疲劳试验，研究发现随着高低周循环次数增大，复合疲劳寿命有显著的降低，并建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式，但其只考虑了载荷循环次数对疲劳的影响，没有全面综合其他

影响疲劳寿命的因素。

1.4疲劳破坏过程及机理

金属设备疲劳过程的开始，即疲劳裂纹的萌生称为疲劳源。疲劳源是材料微观组织永久损伤的核心，当裂纹开始萌生后，逐渐长大并与其它裂纹合并，然后形成肉眼可见的宏观裂纹，称为主裂纹，此时裂纹萌生

阶段结束。之后，进入裂纹扩展阶段，首先开始稳定扩展，裂纹达到临街尺寸后，随着进一步的交变应力、应变作用下，金属材料无法承受，裂纹开始突然间失稳，材料瞬间产生破坏，发生断裂。简而言之，疲劳破坏过程分为：裂纹萌生，裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。每个阶段具体如下：

裂纹萌生：

由于应力集中，疲劳裂纹首先起源于材料内部微观结构最薄弱的额区域，或者应力较高的区域。裂纹萌生初期，长度小于0。05mm~Q 1mm 此裂纹称为疲劳裂纹核。随着疲劳进行，微观裂纹逐渐发展成宏观裂纹，肉眼可见。铝合金材料疲劳裂纹萌生主要部位有滑移带、晶界、相界面三种

裂纹扩展：

疲劳裂纹萌生结束后，将进入裂纹扩展阶段。此阶段又分为两个部分，首先是裂纹沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展，扩展速率极低，其延伸范围在几个晶粒长度之间。其次，在晶界的阻碍作用下，使扩展方向逐渐垂直于主应力即

拉应力方向，并形成疲劳条纹或称为疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循环的结果。

第一阶段的裂纹扩展速度慢，长度小，所以该阶段的形貌特征并不明显。而第二阶段的穿晶扩展，其扩展速率随循环周次增加而增大，扩展程度也较为明显，多数材料的第二阶段可用电子显微镜观察到疲劳条纹，有些甚至能用肉眼观察到。不同材料的疲劳条纹各不相同，形貌也是种类繁多，有与裂纹扩展方向垂直略呈弯曲并相互行的沟槽状花样，有断口比较平滑而且分布有贝纹或海滩花样，有时则呈现以源区为中心的放射线，疲劳条纹是疲劳断口最有代表性的特征。

一般情况下，疲劳裂纹扩展区在整个断口所占面积较大。疲劳裂纹扩展阶段是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。不同铝合金材料裂纹扩展的两个阶段也有不同的寿命，在材料表面光滑试件中，第一阶段的扩展时间占整个疲劳寿命的绝大部分；而在有缺口的试件中，第一阶段几乎可以忽略，第二阶段的传播是整个疲劳裂纹扩展的寿命。

裂纹失稳：

疲劳裂纹扩展到一定长度即临界长度时，材料表面不足以承受外部载荷，在下一次加载中将发生失稳扩展，导致快速断裂。这一阶段是构件寿命的最后阶段，失稳扩展到断裂这一短暂过程对于构件寿命的贡献是可以忽略的，裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域称为瞬断区，材料性质不同，断口相貌也截然不同。

1.5疲劳寿命的影响因素

1.5.1材料内因

疲劳特性与合金成分有关，成分决定了合金组织以及强化效果；同时，合金的显微组织也冶金过程中的缺陷也对合金疲劳有很大程度的影响，裂纹源可能由夹杂物，晶粒大小，晶粒偏析，晶界疏松引起。张涛等研究了Al-Si系铸造铝合金疲劳性能，发现铸造过程难以避免的孔洞及Si颗粒大小、形貌均对铸造铝合金材料疲劳裂纹的萌生有重要影响；Zhai[7]通过对铝锂合金疲劳性能各向异性的研究发现，在轧制方向强度低，疲劳性能也最差，疲劳裂纹多沿方向萌生，而在厚度方向强度较高，鲜见裂纹的萌生，疲劳性能也自然最佳；时效处理是改善铝合金性能的有效途径，由于其改变了合金微观组织结构，自然也对合金疲劳特性影响颇大；Sharma等通过对不同时效处理后

的AA 2219铝合金进行疲劳试验，结果表明自然时效及欠时效处理后的合金疲劳性能较好，鲜见疲劳裂纹的萌生；而峰时效和过时效处理后的合金，其多出萌生疲劳裂纹切裂纹扩展速率较高，疲劳性能不佳。

1.5.2构件状态

合金的疲劳特性也跟表面粗糙度、材料尺寸、几何形状。表面凹凸。壁厚均匀性有关。

Suraratchai等对影响铝合金疲劳寿命的因素进行了研究，其对合金表面粗糙度进行了有限元分析，结果表明由于材料表面凹凸不平而引起的应力集中，是损害疲劳寿命的源头；肖骥研究了7475铝合金板材的疲劳性能，在疲劳试验中表现最好的T-L平面上的试件进行了喷丸处理，结果发现，经过喷丸处理之后，并不是一定提高了试件的疲

劳强度，在喷丸处理的过程中，在引入残余压应力的同时，也破坏了试件表面的平整度。残余压应力将提高试件的疲劳强度，而过高的粗糙度，将使试件表面很容易成为裂纹源。

1.5.3工作条件

载荷的大小和加载方式及加载频率是合金材料疲劳寿命的决定性因素。刘岗等研究了2E12铝合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率，结果表明缺口的存在降低了疲劳强度，随着应力比的提高，疲劳强度也大幅度改善；蹇海根等通过金相、电镜扫描显微技术对比了不同应力下铝合金的疲劳断口显微组织，发现疲劳裂纹萌生处与材料表面的距离随加载应力升高而减小，加载应力越高，疲劳源区面积越小，裂纹扩展区的疲劳辉纹间距越大，且随着应力的增大，断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小，瞬断区的面积增大。同时材料寿命也受工作环境如温度、周边介质等因素影响。Gasqueres等［13］通过对AA 2024铝合金疲劳裂纹扩展规律的研究发现，正常室温下，疲劳裂纹扩展进入第二阶段后，将环境温度调至223 K,裂纹长大又转为第一阶段的扩展规律，而且此时裂纹的扩展受到温度和气压的共同影响。铝合金疲劳特性的影响因素很多，从单一或几个因素的考虑对铝合金材料疲劳寿命进行研究并不准确，建立相应的科学模型，综合考虑所有因素从而精确地预测材料的疲劳寿命是需要进一步深入研究的重点。具有效率高、成本低、工艺简单等优点，适用于多种颗粒以及多种基体，此方法总体上具有一定竞争力。

1.6疲劳寿命的估算方法

因材料疲劳多数是不可预测，不可检测到的塑性断裂，因此造成的损失不可估计，所以材料疲劳寿命的估计一直以来是重要研究问题。几百年内，各国科学家一直在探索、研究。

1945年Miner在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上，

将Palmgren于1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了Palmgren-Miner线性累积损伤法则；1963年Paris在断裂力学方法的基

础上，提出了表达裂纹扩展规律的Paris公式，此后又发展有损伤容限设计；1971年Wetzel在Manson-Cofin研究的基础上，提出了根据应力-应变分析估算疲劳寿命的方法一一局部应力-应变法，还有许多出色的研究人员提出的。诸多计算方法，以下简单介绍现今在疲劳寿命估算方面三种主要运用的方法。

1、累积损伤理论

Min er理论是典型的线性累计损伤理论，Miner公式为：

其中n表示不同大小的载荷，N表示不同载荷单独作用下出现裂纹的破坏次数，N表示总的循环次数，即疲劳寿命。当循环周期内载荷对构件所造成的损伤累计加至1时，构件即发生破坏；其简单直观，在工程上被广泛应用，并由此衍生了最早的抗疲劳设计方法一一名义应力法，其以材料或零件的S-N曲线描述材料的疲劳特性，根据应力集中系数和名义应力，结合线性累计损伤理论进行疲劳寿命计算。但名义应力法以材料力学和弹性力学为基础，不考虑疲劳过程中的塑性

变形，对发生高应力局部屈服的疲劳破坏并不适用。

2、局部应力-应变法

局部应力-应变曲线法认为构件的整体疲劳性能，取决于最危险区域的局部应力应变状态。其先实验测定应力、应变和疲劳断裂寿命的曲线和实验数据，接下来结合Neuber公式进行缺口时间在随机加载下的局部应力-应变响应分析，进行每一次循环的损伤计算，最后按线性累积模型求得疲劳损伤量，估算出寿命。修正后的Neuber公式为：

AcrAf = ―J----- =(7

其中△ S、Ac、△ £分别为名义应力幅值、局部应力幅值和局部应变幅值。缺口疲劳系数是一个静态参数，无法精确求解。名义应力法没有考虑疲劳过程中的塑性变形，局部应力-应变法弥补了这一缺陷，只要掌握材料试样的循环应变、应力与寿命关系的曲线等少量实验数据，通

过对应力集中部位的应力应变分析后，就可以预计构件的疲劳寿命。但其运用的Neuber公式是一个经验公式，人为误差较大, 而近年来兴起的弹塑性有限元法较为精确，值得推广。

3、损伤容限法

断裂力学是损伤容限法的基础，实际上所有工程构件都有微观缺陷，

这一固有缺陷可以视其为一个初始裂纹，裂纹扩展寿命便是由初始裂纹

扩展到临界裂纹的应力循环数。疲劳裂纹临界尺寸的选择根据材料性质

及工作状态等因素确定，通常用裂纹扩展速率公式来描述不同结构与不

同外载荷作用下的裂纹扩展行为，其扩展速率不仅与裂纹长度有关，也

与载荷大小、加载方式等因素有关。

1.7疲劳断口分析

以高强铝合金断口形貌分析为例，如A7N01铝合金，是Al-Zn-Mg-Cu

热处理强化型的高强度铝合金，综合性能较为优异，具有高强度、较好

的挤压性和耐蚀性。目前较多的应用在高速列车主要零部件上。

试样几何尺寸如下:

1.7.1疲劳宏观断口分析

由实验可知，T型接头焊趾处，是试样断裂的主要部位，因为在疲劳

过程中，焊趾处出现应力集中，通过对焊接接头的硬度分析，可以得知

在距接头中心线位置附近，大约10mn处，已进入热影响区的软化区

域，即焊趾所处的区域。如果采用惰性气体保护，可以降低应力集中，

从而降低材料的疲劳。

焊趾处出现疲劳裂纹源后，形成裂纹，然后向接头中心处扩展。这是由于焊接中，靠近中心的部位经历了来自左右两侧焊缝的热循环处理，组织粗大，强度降低。当多个裂纹源在焊趾表面出现时，裂纹将会以放射状扩展，向四周辐射，此时，多个微裂纹聚集到一起并合并成一个裂纹，此时微裂纹停止扩展，主裂纹继续，当扩展到材料临界裂纹长度时，产生失稳断裂，材料断口粗糙不平。在断口上，疲劳稳定扩展区占到整个面积的一半，疲劳裂纹源面积较小。

1.7.2疲劳微观断口分析

由扫描电子显微镜可以观察到疲劳裂纹源，以面心立方为例，合金中存在许多滑移系，比较容易产生滑移变形。当裂纹源产生，材料表面产生滑移，出现滑移带，在交变载荷作用下，试样的轴向拉应力较大，加上焊趾处应力集中，所以在焊趾处通过滑移产生较大的塑性变形。由于交变载荷不断反复，滑移面被破坏，便出现微裂纹，微裂

纹长大，就形成了小裂纹。小裂纹形成降低了其他裂纹扩展速率，因此材料往往存在扩展停止的其他小裂纹。

在裂纹扩展中，在晶界、晶粒、金属基体交界处会萌生裂纹，这是为了达到自由能平衡，这样的结果是使裂纹扩展到各个晶面，看起来像羽毛状的形状。同时，裂纹在扩展过程中，相邻裂纹长大的方式是一种撕裂的方式，存在明显塑性变形，较高的载荷在第二相粒子上作用，使粒子破裂，裂纹不断张开和闭合，形成了疲劳条带，导致断口上出现凹陷和犁沟。

疲劳裂纹的稳定扩展特征包括出现疲劳辉纹，通常，疲劳辉纹的数

目代表了疲劳循环的次数，每当出现一次循环，便出现一条疲劳辉纹。因此，可以通过一定距离内的辉纹条数，大致判断出裂纹扩展速率。其次，另外一个特征边上二次裂纹，即由断口表面向内部扩展的裂纹。

二次裂纹和疲劳辉纹基本上平行，扩展方式为沿晶扩展，二次裂纹一般情况下，分布较为分散，同一方向，时隐时现。

疲劳裂纹扩展到临界尺寸后，材料出现失稳扩展，形成瞬断区。断口表面存在撕裂棱和韧窝。断裂呈现准解理断裂的特点就是存在撕裂棱，而韧性断裂的标志便是存在韧窝。可以推断出，疲劳断裂瞬断区为准解理断裂和韧性断裂的混合断裂.

1.8论文的研究意义

本文开展了对铝合金疲劳以及疲劳破坏断口形貌的分析，研究了铝合金疲劳破坏的一系列过程，这将对以后预防、检测以及估算材料的寿命有重大意义。精确的计算材料的疲劳寿命，将能在发生重大事故之前避免，减少了人身财产的损失。

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金属断口机理及分析

名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河流。断口萃取复型：利用AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。第一章断裂的分类及特点 1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o . 2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。 3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45o交角（平面应力条件下的撕裂）根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系 Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则相似） a Y K c c πσ?=1

金属材料断口机理及分析

精心整理名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河流。断口萃取复型：利用AC纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。第一章断裂的分类及特点 1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o. 2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可能是延性断裂；沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。 3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45o交角（平面应力条件下的撕裂）根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形：裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系 Kic：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K准则相似）：断裂应力（剩余强度）a：裂纹深度（长度） Y：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关）脆性材料K准则： KI是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量； KIC是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章

综述

7075铝合金在不同应力幅、不同热处理下的疲劳断裂机理的研究 7xxx系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金,都具有密度低、加工性能好及焊接性能优良等优点。因此,在航空航天工业、车辆、建筑、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。现代工业的飞速发展,对 7xxx系铝合金的强度、抗疲劳性能等提出了更高的要求。 7075铝合金是一种冷处理锻压合金,强度高,远胜于软钢。7075是商用最强力合金之一。固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，在150℃以下有高的强度，并且有特别好的低温强度，焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾向，双级时效可提高抗scc性能。7075的主要合金元素为锌，强度很高，具有良好的机械性能及阳极反应。主要用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件，如飞机上、下翼面壁板、桁条等。还广泛应用于模具加工、机械设备、工装夹具等。在对7075合金所开展的研究工作中,其疲劳性能因与实际应用联系较为密切,是一个极有理论意义和应用价值的课题,目前虽然已有许多科研工作者对其进行了广泛的研究,但对其疲劳断裂机理研究却不多。进一步深化研究,充分挖掘 7075铝合金的使用潜力,对 7075铝合金材料在不同应力幅、不同热处理下的疲劳断裂机理进行研究是非常有必要的。 17075超高强铝合金材料的发展概况一般可将强度在500MPa 以上的铝合金称为超高强度铝合金。超高强度铝合金主要是指7000系中的某些Al-Zn-Mg-Cu合金。20世纪初中期,在对Al-Zn-Mg 合金研究的基础上，人们发现添加Cu、Mn、Cr、Ti等微量元素可显著提高合金强度、抗应力腐蚀性能和抗剥落腐蚀性能。 1943美国开发出了7075高强合金,并第一次应用于B-29型轰炸机上,曾给飞机结构和性能带来了革命性的变化,同时也为超高强铝合金的发展奠定了基础。1944年前苏联也开发出了与7075 类似的B95高强铝合金,该合金的成分与7075合金相近。当时研究航空铝合金主要以追求高的静强度为主,而忽视了其它性能的要求。为了提高KIC,研究后发现,Fe、Si等有害元素形成的夹杂相在低应力下容易破裂,并形成空洞,从而形成宏观裂纹导致了断裂韧性KIC的降低。通过减少这些杂质元素的含量,研制出了韧性更高的7175合金。1971 年美国Aloca公司在7075 合金的基础上,增加了Zn、Cu含量和Cu/Mg比值来提高强度,用添加Zr代替Cr 来克服淬火敏感问题和调整晶粒尺寸,开发出了强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能较高的7050 超高强合金。这是美国开发的第一个含Zr的7000系合金。也是7000系合金中综合性能较好的合金之一, 在航空航天领域得到了广泛的应用。含Zr 的7050合金也存在着一些缺点,所以又研制了7150 合金。近年来美国研制的7055-T77制品在保证有合格的KIC 和抗蚀性的前提下,其强度比7150高约10%,比7075制品高约20～30%,实现了集高强、高韧、抗蚀为一体,广泛地应用于飞机结构件。1956年,前苏联学者在深入地研究AlZnMgCu系合金的基础上,研制出类似于7055合金的世界上第1种超高强度铝合金——B96ц。另外在7000 系合金发展的早期, 很多高Zn 的具有较高强度的合金也被开发了出来,成为高强铝

疲劳与断裂综述

论文题目：疲劳与断裂综述院（系）材料与化工学院专业材料工程姓名学号

目录 1 绪论 (3) 1.1 疲劳及断裂力学发展............................................. 3.. 1.2 疲劳与断裂力学的关系............................................ 3.. 1.3 疲劳设计方法 4... 2 疲劳现象及特点 4... 2.1 变动载荷和循环应力.............................................. 4.. 2.2 疲劳现象及特点................................................. 5... 2.3 疲劳断口宏观特征................................................ 5.. 3 疲劳过程及机理 6... 3.1 疲劳裂纹萌生过程及机理........................................... 6.. 3.2 疲劳裂纹扩展过程及机理.......................................... 7.. 4 疲劳影响因素及应对措施................................................ 8.. 4.1 疲劳强度影响因素................................................. 8.. 4.2 提高疲劳强度的措施.............................................. 9..

铝合金显微组织及断口分析

铝合金显微组织及断口分析铝合金显微组织及断口分析铝合金是一种非常常见的金属材料，它由铝和其他金属元素的合金组成，具有较高的强度和耐腐蚀性。铝合金在航空、汽车、建筑、电子等领域中得到了广泛应用。了解铝合金的显微组织和断口分析对于了解其性能和使用情况非常重要。一、铝合金显微组织铝合金的显微组织是指在显微镜下观察到的铝合金的晶粒结构和相分布。铝合金的显微组织包括几个主要的部分：晶粒、相、晶界等。 1. 晶粒晶粒是铝合金中最基本的结构单元，铝合金的各种性能特点都与其晶粒结构有关。铝合金的晶粒主要由等轴晶、柱状晶和板状晶三种类型组成。其中，等轴晶是指晶粒的尺寸和方向都差不多，通常是由于加工过程中的流变变形造成的。柱状晶是指晶粒的尺寸长而方向窄，一般是由于加热后的晶粒长大和沿着优选方向生长所致。板状晶是指晶粒的平面尺寸远大于垂直于其平面的尺寸，通常是由于凝固过程中的定向生长造成的。 2. 相

铝合金的相是指铝合金中不同金属元素的不同组合形成的单一物质。不同的相具有不同的晶体结构和物理、化学性质，对铝合金的性能和热处理方式有很大的影响。常见的相有铝基固溶体、析出物、间金属化合物和内应力相等。 3. 晶界晶界是指不同晶粒之间的界面，其宽度通常为几个原子层。晶界是铝合金中强度不均匀性最明显的部分，热处理和加工过程中的细化、重结晶和稳定化等工艺都会对其产生影响。二、铝合金断口分析铝合金的断口分析是指对铝合金的拉伸或断裂过程进行的分析。通过对断口的观察和分析，可以了解铝合金的应力应变特性、塑性和韧性等。 1. 断口类型铝合金的断口类型通常有两种：韧窝断口和脆裂断口。韧窝断口是指在拉伸过程中，当铝合金达到其极限强度时，所形成的断口。韧窝断口通常是羽毛状的，与金属表面呈45度角。脆裂断口是指在铝合金遭受撞击或受到割伤时，发生的断裂。脆裂断口的表面光滑而平整，通常既无韧窝也无撕裂痕迹。 2. 断口形貌铝合金的断口形貌可以分为三种类型：拉伸断口、撕裂断口和剪切断口。拉伸断口是铝合金遭受拉伸力时形成的断口，通常表现为韧窝、突出物和颗粒状物。撕裂断口是指铝合金在遭受撞击力或切割力时所形成的断口，通常表现为粗糙的面和

综述-铝合金疲劳及断口分析

文献综述（2011 级）铝合金疲劳及断口分析胡伟 201111514 金属材料工程 2011级03班黄俊老师材料科学与工程学院 2 0 15 年 4 月 1 2 日铝合金疲劳及断口分析 1绪论设计题目学生姓名学号专业班级指导教师院系名称

1.1引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。现代工业的飞速发展，对7系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金基础上成功地开发了7075、B93和D。T。D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国科学家公布了具有优良焊接性能的合金AIZnMgl和AIZnMg2引起了人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。在此段时间，美国学者在AIZnMgl合金的基础上，加入了Zr、Mn Cr等元素，研制出了7004和7005合金，具有优良焊接性和抗应力腐蚀性能，广泛应用于焊接行业。唯一不足的

6005A铝合金激光-MIG复合焊接接头超高周疲劳性能试验研究

6005A铝合金激光-MIG复合焊接接头超高周疲劳性能试验研究张伟;王弘【摘要】对18 mm 6005A铝合金厚板进行多层多道激光-MIG复合焊接,采用超声疲劳试验技术对板状焊接接头与母材的超高周疲劳性能进行试验研究.结果表明,焊接接头和母材在109循环周次后均会发生疲劳断裂.焊接接头的高周疲劳数据点分散性较大,母材和焊接接头的S-N曲线均呈连续下降趋势,在106～109周次范围内焊接接头的疲劳强度为母材的50％～80％.对比ⅡW标准疲劳曲线发现,焊接接头的疲劳性能在N=104循环周次下与ⅡW标准基本一致,在高周范围内表现优于ⅡW标准.经扫描电镜微观分析发现,焊接接头的裂纹通常萌生在表面气孔处,疲劳裂纹断裂形式为穿晶断裂,主要表现为准解理断裂特征.%The 6005A aluminum alloy plate with the thickness of 18 mm is welded by the multi-pass multi-layer laser-MIG hybrid welding.Ultrahigh cycle fatigue properties of plate welded joints and base metal are studied with ultrasonic fatigue testing technique.The results show that the fatigue fracture of the welded joints and base metal will still occur when the fatigue life is more than 109 cycles.The high cycle fatigue data points of welded joints are relatively dispersed,both of the S-N fatigue curves of welded joint and base metal display a continuous downward trend.In the range of 106～109 cycles,the fatigue strength of welded joint is only 50％ to 80％ of that of the base https://www.360docs.net/doc/e119037269.html,pared with the ⅡW standard fatigue curve,the fatigue prope rties of welded joint are basically consistent with the ⅡW standard at N=104,and the properties are better than the ⅡW standard in the high

高温条件下铝合金疲劳特性的实验研究与分析

高温条件下铝合金疲劳特性的实验研究与分析一、引言随着社会的不断进步和工业化程度的不断提高，对于材料的研究和应用也越来越重要。铝合金作为一种被广泛应用的材料，其在高温条件下的疲劳特性是一个重要的研究方向。本文将从实验研究和分析两个方向，对于高温条件下铝合金的疲劳特性进行研究。二、实验研究为了研究高温条件下铝合金的疲劳特性，我们选择了一种常见的铝合金材料进行实验。在实验之前，我们首先对于材料的性质进行了测试，得到了如下数据：杨氏模量为70 Gpa，屈服强度为350 Mpa。我们选用了一台万能试验机进行实验，以50Hz的频率进行疲劳测试，疲劳载荷从100N开始逐步升高，每经过1万个循环就停机一次，以观测试件的疲劳损伤情况。此外，我们将试件在不同的温度下进行测试，以研究温度对于铝合金疲劳特性的影响。具体温度为：常温、100℃、200℃、300℃、400℃。实验结果显示，在常温下，铝合金的疲劳寿命约为26000个循环。随着温度的升高，疲劳寿命逐渐下降，例如在100℃下，疲劳

寿命降至约为18000个循环，而在400℃下，疲劳寿命仅为4000 个循环。三、分析通过以上实验数据，我们可以得出结论：高温条件下会使铝合金的疲劳寿命下降。这是由于高温下载荷会导致材料内部的应力集中，当应力集中达到材料的抗拉强度时，就会出现断裂或者疲劳损伤。其次，从疲劳损伤形态来看，我们观察到在低温下，试件出现的是累积疲劳损伤，即在试件表面出现裂纹。而在高温下，由于热膨胀系数的原因，试件整体会发生变形，因此试件在表面、中下部和中间都会出现损伤，而不仅仅是表面的裂纹。最后，我们还需要注意到，不仅仅是温度，其它因素如载荷、循环次数等也会对于铝合金的疲劳寿命产生影响。因此，在使用铝合金材料时，需要综合考虑多种因素，进行合理的设计和使用。四、结论本文通过疲劳测试实验，研究高温条件下铝合金的疲劳特性，得出结论：高温条件下会使铝合金的疲劳寿命下降。同时，本文还从疲劳损伤形态和其它因素的影响等方面进行了探讨。以上结论和探讨具有一定的指导意义，可供相关研究和应用的人员参考。

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能及断口特征研究

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能及断口特征研究郄新哲;张桂源;宫文彪;陶福君;王佳庆【摘要】对84 mm轨道客车用6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能以及断口特征进行试验研究.结果表明,搅拌摩擦焊接头疲劳循环次数随施加载荷减小而增加,当N=107时,疲劳极限值为110 MPa,且疲劳断裂主要发生在前进侧热机械影响区.在预制缺口、相同载荷应力条件下,焊核区疲劳循环次数达7.4万次,断口表现为沿晶断裂,裂纹由疲劳源向四周扩展,晶粒细化提高了焊核区疲劳寿命;而前进侧热机械影响区疲劳循环次数最少为2.5万次,裂纹沿晶界向焊核区方向扩展,扩展方式为沿晶和穿晶混合断裂,晶粒发生弯曲变形以及第二相粒子剥离是接头ATMAZ疲劳性能下降的主要原因. 【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)005 【总页数】5页(P496-500) 【关键词】搅拌摩擦焊;6082-T6铝合金;疲劳性能;疲劳断口【作者】郄新哲;张桂源;宫文彪;陶福君;王佳庆【作者单位】长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春 130012;长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春 130012;长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春 130012;吉林省泰浩轨道客车装备有限公司,吉林长春 130507;吉林省泰浩轨道客车装备有限公司,吉林长春 130507 【正文语种】中文

【中图分类】TG456.9 Al-Mg-Si系合金属于可热处理强化型合金，具有中等强度、低密度、较好的耐蚀性以及良好的焊接性。6082-T6铝合金是轨道客车铝合金车体部件大量应用的材料[1-3]，铝合金的连接一直是轨道客车制造业关键的技术问题。6082-T6铝合金采用熔化焊，易产生气孔、裂纹等缺陷，热影响区受热后的软化问题大大降低了接头性能。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding， FSW)是通过搅拌头与被焊工件之间的摩擦，使工件达到塑性状态实现连接的一种固相焊接方法，在铝合金焊接方面FSW占有独特优势。疲劳断裂是金属构件失效的一种主要形式，据统计疲劳失效约占零件失效总数的80%以上，疲劳断裂具有隐蔽性，在工件发生断裂前没有明显的塑性变形，危害较大。因此，在工业制造、轨道客车、航空航天领域中，焊接接头疲劳断裂性能成为评价接头质量的重要指标之一[4]。国内外对铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳问题做了大量研究。如瑞典哥本哈根皇家技术研究所的M.Ericsson[5]对6082-T6搅拌摩擦焊疲劳性能做了研究，发现搅拌摩擦焊疲劳性能优于MIG和TIG焊接接头。Moreira[6]等将6082-T6铝合金和6061-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展与母材相比，结果表明，搅拌摩擦焊裂纹扩展速率低于母材。徐韦锋[7]对20 mm厚度的2219-T62铝合金FSW接头进行了疲劳试验，研究表明,应变幅小于0.2%时，疲劳循环应力与塑性变形幅呈水平分布，裂纹产生于试件表面且具有单一性。当应变幅为0.4%、0.6%和0.8%时，应力幅升高，而塑性应变幅降低，裂纹萌生具有多源性；陈东高[8]研究了30 mm厚搅拌摩擦焊接头疲劳性能，结果表明，由表层至底部疲劳性能先减后增，沿厚度方向疲劳性能具有不均匀性。文中试验研究了84 mm厚度的6082-T6铝合金接头的微观组织与性能，并比较研究了焊核区、热机械影响区、热影响区在相同应力状态下，裂纹扩展路径及断口特征，为轨道客车大厚板部件的FSW生产提供依据。

金属材料疲劳研究报告综述

金属材料疲劳研究综述摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命一．引言金属疲劳的概念，最早是由 J． V． Poncelet 于 1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，"疲劳〞一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在"疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义〞( EZ06-72) 中所作的定义: 在*点或*些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久构造变化的开展过程，称为"疲劳〞。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料构造受到屡次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和构造的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲

劳是非常有必要的。由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000屡次破坏事故，有238艘完全报废，其局部要归咎于金属的疲劳。2002年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由中正机场飞往机场途中空中解体，19 名机组人员及 206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了"金属疲劳〞的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值∆k之间的关系。

6061铝合金疲劳极限

6061铝合金疲劳极限 1. 引言疲劳极限是指材料在受到交变应力作用下，经过一定次数的循环加载后，发生破坏的最大应力水平。6061铝合金是一种常见的铝合金材料，具有良好的强度和耐腐蚀性能，在航空航天、汽车制造和结构工程等领域得到广泛应用。本文将对6061 铝合金的疲劳极限进行全面详细、完整且深入的探讨。 2. 6061铝合金的疲劳特性 2.1 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线是描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命的曲线图。对于6061铝合金来说，其疲劳寿命曲线呈现出典型的S-N曲线。S-N曲线是通过将应力幅值S与疲劳寿命N进行对数坐标绘制而得到的曲线。在低应力水平下，6061铝合金的疲劳寿命较长，而在高应力水平下，疲劳寿命则显著降低。这是因为在高应力水平下，材料容易发生微观缺陷集聚，导致疲劳破坏。 2.2 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展是指在疲劳加载下，材料中已有的微小缺陷逐渐扩展，最终导致材料破坏的过程。对于6061铝合金来说，其疲劳裂纹扩展速率较快，这是因为铝合金中的晶界对裂纹扩展起到了催化作用。此外，6061铝合金的疲劳裂纹扩展还受到应力比、环境温度和加载频率等因素的影响。 2.3 疲劳断口形貌疲劳断口形貌是指材料在疲劳加载下破坏时的断口形态。对于6061铝合金来说，其疲劳断口形貌通常呈现出典型的沙粒状断口。这是因为在疲劳加载下，裂纹扩展引起的应力集中会导致晶界的断裂，从而形成沙粒状断口。 3. 影响6061铝合金疲劳极限的因素 3.1 温度温度是影响6061铝合金疲劳极限的重要因素之一。在高温环境下，6061铝合金的疲劳极限会显著降低，这是因为高温会引起材料的软化和晶界的松弛，从而导致疲劳破坏的加速。

铝合金焊接接头的疲劳寿命研究

铝合金焊接接头的疲劳寿命研究随着工业技术的不断发展，铝合金的应用范围越来越广泛。铝合金具有低密度、良好的导电性能和成型加工性能等优良特性，因此被广泛应用于汽车、飞机、船舶等工业领域。在这些应用中，焊接是铝合金加工的常见工艺之一。焊接工艺的质量及焊接接头的疲劳寿命是影响铝合金结构强度和可靠性的关键因素。本文将从铝合金焊接接头的疲劳寿命角度，探讨焊接工艺和焊接接头几何形状等因素对疲劳寿命的影响，并介绍研究现状与未来展望。 1. 焊接接头的疲劳破坏机理焊接接头在使用中往往会受到不断变化的载荷作用。当加载周期较大时，易导致焊接接头发生疲劳破坏。焊接接头疲劳破坏机理一般可分为以下几种：（1）裂纹萌生期：焊接接头受到往复载荷作用后，因应力集中作用，易在接头表面或焊缝中产生微小裂纹。（2）裂纹扩展期：随着载荷的不断作用，焊接接头的微小裂纹逐步扩展，逐渐形成明显的裂纹，并继续沿着材料内部或表面扩展。（3）破坏期：当裂纹扩展至一定程度后，焊接接头将发生破坏。上述疲劳破坏机理说明了焊接接头的疲劳寿命与焊接接头本身的材料性能、几何形状、载荷作用等因素密切相关。 2. 焊接工艺对焊接接头疲劳寿命的影响焊接接头的疲劳寿命受到多种因素的影响，其中焊接工艺是最为重要的因素之一。焊接工艺对焊缝形态、晶粒尺寸、残余应力等因素都有着显著的影响，进而影响焊接接头的疲劳寿命。常见的焊接工艺对焊接接头疲劳寿命的影响如下：（1）焊接工艺的选择

针对不同的铝合金材料和焊接接头的几何形状，可以采用不同的焊接工艺。例如，在焊接厚板和板筋时，可以采用高速MIG焊接工艺，该工艺可以产生较低的热输入，减小热影响区，有利于提高焊接接头的疲劳寿命；而对于比较薄的铝合金材料，可以采用激光焊接工艺，该工艺热输入量小，热影响区小，有利于焊接接头的疲劳寿命。（2）焊接温度的控制焊接接头的温度受到焊接工艺的控制，温度过高或过低都会对接头疲劳寿命产生不良影响。温度过高会导致晶粒长大，从而影响接头的强度和可靠性；温度过低则会使焊接接头中产生大量裂纹，从而破坏材料结构，影响接头的疲劳寿命。（3）焊接气体的选择焊接过程中的保护气体也会对焊接接头的疲劳寿命产生影响。不同组合的保护气体对氧化物含量、气孔生成等都会产生一定影响。因此，在不同的焊接接头中，需要选择适当的保护气体组成，以达到最佳的焊接效果。 3. 接头几何形状对焊接接头疲劳寿命的影响除了焊接工艺的影响外，焊接接头的几何形状也会影响接头的疲劳寿命。接头的几何形状直接决定了应力分布情况和应力集中程度，从而影响了焊接接头的疲劳寿命。（1）角焊接接头角焊接接头是应用较广泛的一种焊接接头，其几何形状对接头的疲劳寿命产生了重要影响。在角焊接接头中，焊接接头处于弯曲应力状态，容易产生弯矩作用，导致焊接接头的疲劳破坏。当角度较小时，弯曲应力作用较小，焊接接头疲劳寿命较长，但角度过大则会导致应力作用集中，焊接接头的疲劳寿命会大大降低。（2）槽焊接接头

铸造A356铝合金的拉伸性能及其断口分析

铸造A356铝合金的拉伸性能及其断口分析冉广，周敬恩，王永芳 (西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西西安710049) 摘要：研究了铸造A356-T6铝合金板不同位置处的拉伸性能。采用扫描电子显微镜和光学显微镜对拉伸断口及断口纵剖面的组织形貌进行了观察分析。试验结果表明，铸造A356一T6铝合金的拉伸屈服强度随离浇道口平面距离的增加而减小，断裂强度则是先减小然后再增大，而延伸率随高度变化不明显。铸造A356-T6 铝合金的平均屈服强度、断裂强度、延伸率和断面收缩率分别为2l6．64 MPa，224 MPa，1．086％和0．194％。断口分析表明拉伸断口的表面分布着杂质、孔洞、铸造缩孔和氧化膜等缺陷，断口表面也存在开裂的由碳、氧、铁、镁、铝和硅元素形成的复合粒子。铸造A356-T6铝合金在拉伸过程中，裂纹萌生于共晶硅粒子与基体结合处，并沿枝晶胞之间的共晶区域进行扩展，当前进的裂纹遇到取向不一致的共晶硅粒子时，裂纹将截断共晶硅粒子。铸造A356-T6铝合金拉伸断裂方式为沿胞(即穿晶)断裂的准解理断。关键词：铸造A356铝合金：A1-7％Si-0．4Mg；拉伸性能；断裂机制：断口形貌中图法分类号：TG 146．2 l 文献标识码：A文章编号：1002一l85X(2006)10一l620—05 Abstract：The cast A356 aluminum alloy plate produced by precision sand(chemical bonded)process was heat treated by T6 technology． Tensile properties in diferent locations of cast A356-T6 aluminum alloy plate were studied．The fractography and its longitudinal surface were examined and analyzed by optical microscope(OM)，scanning electric microscope(SEM)and energy spectrum analysis(ESA)．The results show that the yield strength of cast A356-T6 aluminum alloy decreases with increasing of the distance from the inner gate plane， but the tensile strength firstly decreases and then increases with increasing of the distance．The elongation variation with the distance is not obvious．The average values of yield strength(o-0 2)，tensile strength(o-b)，elongation( and reduction in area (％)of A356-T6 alloy are 2 1 6．64 M Pa，224 M Pa，1．086％ and 0．1 94％，respectively．The inclusions，pores，shrinkage porosities and oxide film were observed in fracture surface．And the fracture particle combined by C，O，Fe，M g，AI and Si elements was also observed in some tensile fracture surface．During the tensile testing，the cracks initiated from the interface between eutectic silicon and aluminum matrix，and propagated along eutectic region around the dendritic cel1．The tensile fracture m echanism of cast A356-T6 aluminum alloy is quasi-cleavage feature of trangranular model(along the cell fracture)．

铝合金时效成形微观组织和性能及疲劳断裂特征的开题报告

铝合金时效成形微观组织和性能及疲劳断裂特征的开题报告论文题目：铝合金时效成形微观组织和性能及疲劳断裂特征研究一、论文研究背景和意义铝合金因具有高强度、良好的可加工性和耐腐蚀性，广泛应用于汽车、飞机等行业。近年来，为了提高铝合金的性能和降低成本，时效成形技术得到了越来越广泛的应用，但对于时效成形后的铝合金微观组织和性能及疲劳断裂特征的了解还比较有限。对于这些问题的深入研究，有助于进一步优化时效成形工艺参数，提高铝合金材料的性能和便于产品设计和开发。二、研究目的和内容本论文旨在研究铝合金时效成形后的微观组织和性能及疲劳断裂特征，具体包括： 1.铝合金时效成形工艺的建立和优化，包括成形温度、成形时间等工艺参数的优化。 2.时效成形后铝合金的微观组织和性能的分析和表征，包括晶粒尺寸、硬度、拉伸强度、冲击韧性等方面的研究。 3.对于时效成形后的铝合金材料进行疲劳试验，并分析其疲劳寿命、疲劳断裂的特征和机制。三、预期研究结果通过本论文的研究，可以得到以下预期结果： 1.建立铝合金时效成形工艺的优化流程，提高生产效率和材料使用效率。

2.分析铝合金时效成形后的微观组织和性能变化，为产品设计和研发提供参考。 3.深入探讨铝合金时效成形后的疲劳断裂特征和机制，为产品寿命评估和改进提供理论依据。四、论文研究方法和技术路线本论文的研究方法主要包括材料制备、工艺优化、显微观察、力学性能测试和疲劳试验等步骤。具体的技术路线如下： 1.选择适合时效成形的铝合金材料。 2.通过正交试验等方法，优化时效成形工艺参数，得到最优的工艺方案。 3.采用光学显微镜、扫描电镜等显微观察技术，研究铝合金材料的微观组织变化。 4.通过硬度测试、拉伸试验、冲击试验等力学性能测试，分析时效成形后铝合金材料的力学性能变化。 5.进行疲劳试验，并观察疲劳断裂的特征和机制。五、论文进度计划 1. 题目确定和问题的确定阶段（2周） 2.文献综述和调研阶段（3周） 3.材料制备和工艺优化阶段（4周） 4.微观组织和力学性能测试阶段（4周） 5.疲劳试验阶段（4周） 6.数据分析和结果总结阶段（3周） 7.论文撰写与修改阶段（6周）预计论文完成时间为八个月。

A356铝合金显微组织及断口分析

目录 1 绪论1 1.1断口分析的意义1 1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析1 1.3研究方法和实验设计3 1.4预期结果和意义3 2 实验过程4 2.1 生产工艺4 2．1.1 加料4 2.1.2 精炼4 2.1．3 保温、扒渣和放料5 2.1. 4 单线除气和单线过滤5 2.1. 5连铸6 2.2 实验过程6 2.2. 1 试样的选取6 2.2.2 金相试样的制取8 2.2.3 用显微镜观察9 2.3 观察方法10 2.3.1显微组织的观察10 2.3.2 对断口形貌的观察11 3 实验结果及分析12 3.1对所取K模试样的观察12 3.2 金相试样的观察及分析13 3.2.1 对显微组织的观察13 3.2.2 断口缺陷16

结论24 致谢25 参考文献26 附录28

1 绪论 1.1断口分析的意义随着现代科技的发展以及现代工业的需求，作为21世纪三大支柱产业的材料科学正朝着高比强度，高强高韧等综合性能等方向发展。长久以来，铸造铝合金以其价廉、质轻、性能可靠等因素在工业应用中获得了较大的发展。尤其随着近年来对轨道交通材料轻量化的要求日益迫切[1]，作为铸造铝合金中应用最广的A356铝合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能[2-3]，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具有质量轻、安全、舒适、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用[4]。然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等[5-7]。这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%[8-9]。所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义[10]。而这些缺陷往往是通过显微组织和断口分析来研究的。另外，通过显微组织和断口分析所得到的结果可以分析这些缺陷产生的原因，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的原因，从而对改进工艺提出一定的有效措施，确定较好的生产工艺，以提高铝合金铸锭的性能。但关于该合金的微观组织及其断口分析研究较少，研究内容深但不够综合，每篇论文多研究其部分缺陷，断口的获得多为拉伸端口。因此，希望对A356铝合金的断口缺陷有一个较为全面的研究。 1.2对显微组织及断口缺陷的理论分析铸件的力学性能与其微观组织有密切联系[11]。A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。A356合金处于α-Al＋Mg2Si＋Si三元共晶系内，其平衡组织为初生α-Al＋（α-Al＋Si）共晶＋

金属构件的疲劳与疲劳断裂形式特征及失效分析总结

金属构件的疲劳与疲劳断裂形式特征及失效分析总结疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一，在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲劳学科。自从Wöhler的经典疲劳著作发表以来，人们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条件下试验时的疲劳性能。尽管大多数工程技术人员和设计人员已经注意到疲劳问题，而且已积累了大量的实验数据，目前仍然有许多设备和机器发生疲劳断裂。疲劳设计现在已从无限寿命设计发展到有限寿命设计。零件、构件和设备的寿命估算，已成为疲劳强度的一个重要组成部分。疲劳已从一个古老的概念发展成为材料科学、力学和工程设计相结合的一门新兴学科——疲劳强度。疲劳断裂的基本形式和特征一、疲劳断裂失效的基本形式机械零件疲劳断裂失效形式很多： •按交变载荷的形式不同可分为：拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等； •按疲劳断裂的总周次的大小 (Nf)可分为：高周疲劳 (Nf＞10⁵) 和低周疲劳 (Nf＜10⁴)； •按零件服役的温度及介质条件可分为：机械疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。 (1) 切断疲劳失效切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力/缺口切断强度≥1；正应力/缺口正断强度＜1。切断疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成45º角，并沿其滑移面扩展。

由于面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件，都将有利于这种破坏形式的产生。 (2) 正断疲劳失效正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断强度≥1，切应力/缺口切断强度＜1。正断疲劳的特点：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生。高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。二、疲劳断裂失效的一般特征金属零件在使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。引起疲劳断裂的应力一般很低，断口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。 (1) 疲劳断裂的突发性疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程，但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显示出宏观脆性的断裂特征，因而断裂是突然进行的。 (2) 疲劳断裂应力很低