2024年5月21日发(作者：始红螺)
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
------------------------------------
迥
20
年
12
月
第
44
卷第
12
翅
_
Vol.
44
No.
12
Dec.
2°20
DOI
：
10.
11973/jxgccl202012012
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的
疲劳性能
刘晓勇
，
张翼
(中北大学能源动力工程学院
，
太原
030051)
摘
要
：
在等效应力幅
160,150,140
MPa
下
，
对
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金进行比例和
90°
非比例多轴加载疲劳试验
，
测试了合金的疲劳寿命
，
对比了最大主应力模型和临界面损伤参量
Matake
模型估算
2
种加载模式疲劳寿命的准确性
，
分析了疲劳断口形貌
。
结果表明
：
在相同等效
应力幅下非比例加载试样的疲劳寿命远低于比例加载试样的
；
比例加载时
，
最大主应力模型和
Matake
模型的疲劳寿命估算值均具有较高的精度
，
非比例加载时
，
最大主应力模型的估算误差较
大
，
但
Matake
模型的估算精度仍较高
，
该模型适用于该材料的多轴加载疲劳寿命估算
；
非比例多
轴加载下合金呈脆性断裂
，
裂纹源位于近表面的氧化夹杂物处
，
裂纹扩展区呈准解理穿晶断裂特
征
，
且伴有二次裂纹
。
关键词
：
AP12Si-CuNiMg
铝硅合金
；
多轴加载
；
疲劳寿命
；
Matake
模型
；
断口形貌
中图分类号
：
0346.2
文献标志码
：
A
文章编号
：
1000-3738(2020)12-0067-04
Fatigue
Properties
of
Al-12Si-CuNiMg
Cast
Aluminum
Silicon
Alloy
under
Multi-axial
Loading
LIU
Xiaoyong.
ZHANG
Yi
(
School
of
Energy
and
Power
Engineering,
North
University
of
China,
Taiyuan
030051»
China)
Abstract
:
The
Al-12Si-CuNiMg
cast
aluminum
silicon
alloy
was
subjected
to
proportional
and
90°
nonproportional
multi-axial
loading
fatigue
test
under
160,
150,
140
MPa
equivalent
stress
amplitudes.
The
fatigue
life
of
the
specimen
was
tested.
The
prediction
accuracy
of
fatigue
lives
under
two
loading
modes
by
the
maximum
principal
stress
model
and
the
cidtical
surface
damage
parameter
Matake
model
was
compared.
The
fatigue
fracture
was
analyzed.
The
results
show
that
under
the
same
equivalent
stress
amplitude,
the
fatigue
life
of
the
non
proportional
loaded
specimen
was
much
lower
than
that
of
the
proportional
loaded
specimen.
The
fatigue
lives
estimated
by
the
maximum
principal
stress
model
and
the
Matake
model
both
had
high
accuracy
under
proportional
loading.
Under
nonproportional
loading
♦
the
fatigue
lives
estimated
by
the
maximum
principal
stress
model
had
larger
errors
while
those
by
the
Matake
model
still
had
high
accuracy.
The
Matake
model
model
was
suitable
for
multi-axial
loading
fatigue
life
estimation
of
this
material.
The
alloy
under
nonproportional
multi-axial
loading
showed
brittle
fracture.
The
crack
source
was
at
the
oxide
inclusions
near
the
surface*
and
the
crack
propagation
region
showed
quasi-cleavage
transgranular
fracture,
accompaning
with
secondary
cracks.
Key
words
:
Al-
1
2Si-CuNiMg
aluminum
silicon
alloy
；
multi-axial
loading
；
fatigue
life;
Matake
model
;
fracture
morphology
0
引言
铝硅合金由于具有密度小
、
导热性好
、
热膨胀系
收稿日期
:2019-11-20,
修订日期:
2020-11-06
基金项目
：
国家自然科学基金资助项目
(
51201155)
数低
、
铸造及耐磨性能优良等优点
E
,
广泛应用于汽
车发动机机体
、
活塞
、
车轮等形状复杂铸造结构件
中⑵
。
在铸造过程中铝硅合金不可避免会产生缩
孔
、
夹杂物等缺陷疲劳裂纹容易在这些缺陷区
域萌生和扩展
，
最终导致疲劳失效
。
因此
，
对铝硅合
作者简介:刘晓勇
(1980-).
男.山西平遥人
，
副教授.博士
金疲劳性能的研究非常必要
。
近年来
，
国内外有较
67
刘晓勇
，
等
：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
多学者针对铝硅合金的疲劳行为进行了研究
，
研
究内容大多集中在低周疲劳及热机耦合疲劳方面
，
而对其在多轴载荷下的高周疲劳性能及断裂行为研
究较少
。
实际上汽车结构件主要承受高频低应力水
平的机械疲劳载荷
，
且受复杂载荷及缺口效应的影
响
，
一些区域的应力状态呈多轴特征
，
因此对铝硅合
金多轴加载疲劳行为的研究意义重大
。
为此.作者
对
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金进行了多轴加载
疲劳试验,测试了铝硅合金的疲劳寿命
，
并与模型的
估算值进行对比,同时对疲劳断口形貌进行了观察
。
1
试样制备与试验方法
试验材料为
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金;
该材料经压力铸造成圆棒
，
477
°C
固溶处理
1
h
后
油淬
，
空冷
24
h
后在
240
°C
下时效
7.5
h
o
试验铝
硅合金的化学成分见表
1,
室温下的屈服强度和抗
拉强度分别为
212
MPa
和
255
MPa
。
表
1
Al-12Si-CuNiMg
铝合金的化学成分(质量分数)
Table
1
Chemical
composition
of
Al-
1
2Si-CuNiMg
aluminum
alloy
(mass)
Si
Cu
Ni
Mg
Mn
Fe
Ti
Zn
Al
12.37
5.28
2.67
0.82
0.2
0.42
0.106
0.006
余
将时效态圆棒机加工成如图
1
所示的圆柱形疲
劳试样
，
对表面进行抛光,使其表面粗糙度低于
0.32
呼,以减小表面加工质量对疲劳性能的影响
。
采用
MTS809
型电液伺服拉-扭疲劳试验机进行多轴加
载疲劳试验
，试验环境为室温
。
对疲劳试样同时施
加频率为
10
Hz
的轴向力
F
和扭矩
T
的正弦波对
称循环载荷
。
2
种载荷与试样应力的关系分别为
<7=
玉
4F
■nd
=^sin(2
打)
(1)
r
ltd
=Tasin(27t_/7
-
卩)
(2)
式中
：d
为疲劳试样中部直径
，
7.5
mm
；
<7,r
分别为
图
1
多轴加载疲劳试样尺寸
Fig.
1
Size
of
multi-axial
loading
fatigue
specimen
68
剪应力幅;
/
为加载频率
；
r
为加载时间
；
卩为相位
角
，
卩
=0
时为多轴比例加载
，
卩工
0
时为多轴非比
例加载
。
使用
Von
Mises
准则将轴向应力和剪应力折
合成等效应力幅
。
m
：
(Teq
=
a
/
<7
2
+
3r
2
(3)
对试样分别施加等效应力幅为
160,
150,
140
MPa
的比例和
90°
非比例多轴循环载荷
，
最大轴向应
力与最大剪应力之比为
1.732
。
记录试样断裂时的循
环次数
，
记为疲劳寿命
。
考虑到试验数据的分散性,
基于成组试验法⑼确定每级应力水平所需试样数量,
以多根试样疲劳寿命的平均值作为其疲劳寿命
。
采用
JSM-6480
型扫描电镜和
Oxford
INCA
7573
型能谱仪观察疲劳断口形貌
，
并分析微区成
分
。
2
试验结果与讨论
2.1
疲劳寿命
由图
2
可以看出
，
试样的疲劳寿命随应力水平
的提高而降低
，
且在相同载荷类型和应力水平下，
试
样的疲劳寿命较分散
。
在
160,150,140
MPa等效
应力幅下多轴比例加载试样的平均疲劳寿命分别
为
55
502,152
214,206
380
周次
，
90°
非比例加载
试样的平均疲劳寿命分别为
3
403,9
674,22
453
周次
。
在相同等效应力幅下
，
非比例加载试样的
疲劳寿命远低于比例加载试样的
。
这是由于非比
例加载时
，
主应力轴的连续旋转会导致材料的疲
劳寿命下降
。
分别选用最大主应力幅和
MATAKE
C10
］提出
的损伤参量对试样进行疲劳寿命估算
。
最大主应力
180
△
—
比例加载
★
—
90°
非比例加载
&
160
*
*
★
*
A
A
A
*
A
A
140
Tbk
★
AA
A
A
120
10
4
10
5
10
6
疲劳寿命
/
周次
图
2
不同应力水平和加载方式下试样的疲劳寿命
Fig.
2
Fatigue
lives
of
specimen
with
different
stress
levels
and
loading
methods
2
机械工程材料
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
刘晓勇•等
：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
幅的多轴加载疲劳寿命估算模型为
imax/2
=
o
f
(27Vf)
4
(4)
式中:时和
b
为材料拉伸疲劳特性参数
，
分别取
398
MPa
和
一
0.084
3
；N
『
为疲劳寿命
；
^
lmax
/2
为
最大主应力幅
。
△
rmax/2
为最大関应力幅;
Bnmx
为最大剪应力幅临
界面上的最大法向应力
。
比例和
90°
非比例加载时
，
加噺/
2
与
6
和
6
的关系为
■J
<7a/4
+
Fa
+
寺匕=/{Nf°
(卩
=0)
2
r
a
+
^cr
a
=r
/
(
Nf°
C(p
=90°)
比例和
90°
非比例加载时
，
&
t
/2
与几和
g
(7)
的关系为
久/
2
+
+
rf
=
(卩
=0)
(一)
S=/(2N$
@=90°)
由图
3
可以看出:比例加载下
，
两种模型的疲劳
寿命估算值与试验值均具有较好的一致性
，
试验值
除以估算值基本在
2
倍误差因子内
；
非比例加载下,
临界面损伤参量的
Matake
多轴加载疲劳寿命
估算模型口
°
〕
为
△
「
论/
2
+亦
=r
；
(Nf)"°
最大主应力模型的疲劳寿命估算值均超岀了两倍误
(6)
差因子范围
，
最大达
20
倍
，
而
Matake
模型的估算
精度仍较好
。
这表明最大主应力模型并不适合该材
料在非比例载荷下的多轴疲劳寿命估算.而
Matake
式中
：
r
；
和
h
0
为材料扭转疲劳特性参数
，
分别为
253.5
MPa
和一
0.082/
为材料特性参数
，
取
0.2
；
A-
比例加载
*
—
90
。
非比例加载
赵
量
槪
担
2
借误差因子
103
10
4
10
6
10
6
M
10
3
10
3
10
4
10
5
10«
试验寿命
/
周次
(a)
最大主应力模型
试验寿命
/周次
(b)
Matake
模型
图
3
两种模型估算的疲劳寿命与试验结果对比
Fig.
3
Comparison
of
estimated
fatigue
life
by
two
models
and
test
results:
(a)
maximum
principal
stress
model
and
Matake
model
2.2
断口形貌
宏观平面向周围扩展而形成的⑴
］,
放射条纹的方向
以在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载
17
904
周次断裂的试样为例进行断口分析
。
由图
4
即为裂纹扩展方向
，
逆向指向裂纹源区
。
疲劳裂纹
在试样的近表面处萌生
。
这是因为试样表面的晶粒
可以看出
，
试样疲劳断口宏观上呈无塑性变形的脆
性断裂特征
，
断口表面存在向四周辐射的放射状条
纹
。
放射条纹是由疲劳裂纹沿一系列具有高度差的
没有受到约束
，
更容易发生塑性变形产生较大应力
。
高的应力集中使得裂纹更容易在试样表面的第二相
以及基体的界面
、
缺陷
、
夹杂物和气孔等位置形
核
2
叭
由图
5
可以看出
，
在等效应力幅为
140
MPa
的
非比例加载条件下
，
试样的疲劳裂纹起源于近表面
夹杂物处
。
能谱分析表明
，
该夹杂物为
A1
2
O
3
o
氧
化夹杂物是在熔体冷却过程中氧化形成的
。
夹杂物
与铝基体的弹性模量不同
，
其周围易产生强烈的应
力集中而萌生裂纹
〔
⑷
。
疲劳裂纹扩展区呈准解理穿晶脆性断裂特征:
图
4
在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载后试样的断口宏观形貌
Fig.
4
Fracture
macromorphology
of
the
sample
after
nonproportional
loading
at
equivalent
stress
amplitude
of
140
MPa
断口由许多解理小刻度面和撕裂棱组成
，
且撕裂棱
凸起
，
呈花瓣状
，
表面均未发现疲劳条带
。
此外
，
裂
纹扩展区还存在二次微裂纹
。
69
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
刘晓勇
，
等：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
断裂特征
，且伴有二次裂纹
。
参考文献
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Y
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J
X,
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Q,ZUO
Z
X»et
al.
Microstructure
evolution
(b)
裂纹扩展区
of
Al-
1
2Si-CuNiMg
alloy
under
high
temperature
low
cycle
fatigue[JJ.
Materials
Science
and
Engineering
：
A,
2013,
574
：
图
5
在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载后试样断口微观形貌
Fig.
5
Fracture
micromorphology
of
the
sample
after
nonpn
)
p
(
>rti<
)
nal
186-190.
[8]
MU
P
・
NAEXDT
Y,NADOT-MARTINC,et
al
Influence
of
casting
loading
at
equivalent
stress
amplitude
of
140
MPa:
(a)
crack
source
regimi
and
(b)
crack
propa^ition
region
defects
on
the
fatigue
behavior
of
cast
aluminum
AS7GO6-T6[J].
International
Journal
of
Fatigue,2014»63
：
97-109.
3
结论
(
1)
Al-12Si-CuNiMg
合金的疲劳寿命测试值
较分散
，
在相同等效应力幅下,非比例加载试样的疲
劳寿命远低于比例加载试样的
；
比例加载时,最大主
[9]
徐颤.疲劳强度
[M].
北京:高等教育出版社
,
198
&
[10]
MATAKE
T.
An
explanation
on
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under
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崔约贤
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王长利.金属断口分析
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出版社
，
199
&
[12]
MO
D
F,
HE
G
Q
・
HU
Z
F,
et
al.
Crack
initiation
and
propagation
of
cast
A356
aluminum
alloy
under
multi-axial
应力模型和
Matake
模型的疲劳寿命估算值均具有
较高的精度,非比例加载时
，
最大主应力模型的估算
误差较大
，
但
Matake
模型的估算精度仍较高
。
cyclic
loadings
E
J
J.
International
Journal
of
Fatigue,
2008»
30
(10/11):1843-1850.
口
3]
刘铭•张坤
，
戴圣龙，等.航空用
Al-Cu-Mg
铝合金疲劳行为研
Matake
模型适用于该材料的多轴疲劳寿命估算
。
(
2)
多轴加载下试样发生脆性断裂
；
裂纹源位
于近表面氧化夹杂物处
，
裂纹扩展区呈准解理穿晶
究
[J].
航空材料学报
,2014,34(1):76-81.
[14]
宁向荣
，
蒋树农,许诗源
，
等.
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断口分析
[J].
热加工工艺
，
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70
2024年5月21日发(作者：始红螺)
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刘晓勇
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(中北大学能源动力工程学院
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摘
要
：
在等效应力幅
160,150,140
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下
，
对
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金进行比例和
90°
非比例多轴加载疲劳试验
，
测试了合金的疲劳寿命
，
对比了最大主应力模型和临界面损伤参量
Matake
模型估算
2
种加载模式疲劳寿命的准确性
，
分析了疲劳断口形貌
。
结果表明
：
在相同等效
应力幅下非比例加载试样的疲劳寿命远低于比例加载试样的
；
比例加载时
，
最大主应力模型和
Matake
模型的疲劳寿命估算值均具有较高的精度
，
非比例加载时
，
最大主应力模型的估算误差较
大
，
但
Matake
模型的估算精度仍较高
，
该模型适用于该材料的多轴加载疲劳寿命估算
；
非比例多
轴加载下合金呈脆性断裂
，
裂纹源位于近表面的氧化夹杂物处
，
裂纹扩展区呈准解理穿晶断裂特
征
，
且伴有二次裂纹
。
关键词
：
AP12Si-CuNiMg
铝硅合金
；
多轴加载
；
疲劳寿命
；
Matake
模型
；
断口形貌
中图分类号
：
0346.2
文献标志码
：
A
文章编号
：
1000-3738(2020)12-0067-04
Fatigue
Properties
of
Al-12Si-CuNiMg
Cast
Aluminum
Silicon
Alloy
under
Multi-axial
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LIU
Xiaoyong.
ZHANG
Yi
(
School
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Energy
and
Power
Engineering,
North
University
of
China,
Taiyuan
030051»
China)
Abstract
:
The
Al-12Si-CuNiMg
cast
aluminum
silicon
alloy
was
subjected
to
proportional
and
90°
nonproportional
multi-axial
loading
fatigue
test
under
160,
150,
140
MPa
equivalent
stress
amplitudes.
The
fatigue
life
of
the
specimen
was
tested.
The
prediction
accuracy
of
fatigue
lives
under
two
loading
modes
by
the
maximum
principal
stress
model
and
the
cidtical
surface
damage
parameter
Matake
model
was
compared.
The
fatigue
fracture
was
analyzed.
The
results
show
that
under
the
same
equivalent
stress
amplitude,
the
fatigue
life
of
the
non
proportional
loaded
specimen
was
much
lower
than
that
of
the
proportional
loaded
specimen.
The
fatigue
lives
estimated
by
the
maximum
principal
stress
model
and
the
Matake
model
both
had
high
accuracy
under
proportional
loading.
Under
nonproportional
loading
♦
the
fatigue
lives
estimated
by
the
maximum
principal
stress
model
had
larger
errors
while
those
by
the
Matake
model
still
had
high
accuracy.
The
Matake
model
model
was
suitable
for
multi-axial
loading
fatigue
life
estimation
of
this
material.
The
alloy
under
nonproportional
multi-axial
loading
showed
brittle
fracture.
The
crack
source
was
at
the
oxide
inclusions
near
the
surface*
and
the
crack
propagation
region
showed
quasi-cleavage
transgranular
fracture,
accompaning
with
secondary
cracks.
Key
words
:
Al-
1
2Si-CuNiMg
aluminum
silicon
alloy
；
multi-axial
loading
；
fatigue
life;
Matake
model
;
fracture
morphology
0
引言
铝硅合金由于具有密度小
、
导热性好
、
热膨胀系
收稿日期
:2019-11-20,
修订日期:
2020-11-06
基金项目
：
国家自然科学基金资助项目
(
51201155)
数低
、
铸造及耐磨性能优良等优点
E
,
广泛应用于汽
车发动机机体
、
活塞
、
车轮等形状复杂铸造结构件
中⑵
。
在铸造过程中铝硅合金不可避免会产生缩
孔
、
夹杂物等缺陷疲劳裂纹容易在这些缺陷区
域萌生和扩展
，
最终导致疲劳失效
。
因此
，
对铝硅合
作者简介:刘晓勇
(1980-).
男.山西平遥人
，
副教授.博士
金疲劳性能的研究非常必要
。
近年来
，
国内外有较
67
刘晓勇
，
等
：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
多学者针对铝硅合金的疲劳行为进行了研究
，
研
究内容大多集中在低周疲劳及热机耦合疲劳方面
，
而对其在多轴载荷下的高周疲劳性能及断裂行为研
究较少
。
实际上汽车结构件主要承受高频低应力水
平的机械疲劳载荷
，
且受复杂载荷及缺口效应的影
响
，
一些区域的应力状态呈多轴特征
，
因此对铝硅合
金多轴加载疲劳行为的研究意义重大
。
为此.作者
对
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金进行了多轴加载
疲劳试验,测试了铝硅合金的疲劳寿命
，
并与模型的
估算值进行对比,同时对疲劳断口形貌进行了观察
。
1
试样制备与试验方法
试验材料为
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金;
该材料经压力铸造成圆棒
，
477
°C
固溶处理
1
h
后
油淬
，
空冷
24
h
后在
240
°C
下时效
7.5
h
o
试验铝
硅合金的化学成分见表
1,
室温下的屈服强度和抗
拉强度分别为
212
MPa
和
255
MPa
。
表
1
Al-12Si-CuNiMg
铝合金的化学成分(质量分数)
Table
1
Chemical
composition
of
Al-
1
2Si-CuNiMg
aluminum
alloy
(mass)
Si
Cu
Ni
Mg
Mn
Fe
Ti
Zn
Al
12.37
5.28
2.67
0.82
0.2
0.42
0.106
0.006
余
将时效态圆棒机加工成如图
1
所示的圆柱形疲
劳试样
，
对表面进行抛光,使其表面粗糙度低于
0.32
呼,以减小表面加工质量对疲劳性能的影响
。
采用
MTS809
型电液伺服拉-扭疲劳试验机进行多轴加
载疲劳试验
，试验环境为室温
。
对疲劳试样同时施
加频率为
10
Hz
的轴向力
F
和扭矩
T
的正弦波对
称循环载荷
。
2
种载荷与试样应力的关系分别为
<7=
玉
4F
■nd
=^sin(2
打)
(1)
r
ltd
=Tasin(27t_/7
-
卩)
(2)
式中
：d
为疲劳试样中部直径
，
7.5
mm
；
<7,r
分别为
图
1
多轴加载疲劳试样尺寸
Fig.
1
Size
of
multi-axial
loading
fatigue
specimen
68
剪应力幅;
/
为加载频率
；
r
为加载时间
；
卩为相位
角
，
卩
=0
时为多轴比例加载
，
卩工
0
时为多轴非比
例加载
。
使用
Von
Mises
准则将轴向应力和剪应力折
合成等效应力幅
。
m
：
(Teq
=
a
/
<7
2
+
3r
2
(3)
对试样分别施加等效应力幅为
160,
150,
140
MPa
的比例和
90°
非比例多轴循环载荷
，
最大轴向应
力与最大剪应力之比为
1.732
。
记录试样断裂时的循
环次数
，
记为疲劳寿命
。
考虑到试验数据的分散性,
基于成组试验法⑼确定每级应力水平所需试样数量,
以多根试样疲劳寿命的平均值作为其疲劳寿命
。
采用
JSM-6480
型扫描电镜和
Oxford
INCA
7573
型能谱仪观察疲劳断口形貌
，
并分析微区成
分
。
2
试验结果与讨论
2.1
疲劳寿命
由图
2
可以看出
，
试样的疲劳寿命随应力水平
的提高而降低
，
且在相同载荷类型和应力水平下，
试
样的疲劳寿命较分散
。
在
160,150,140
MPa等效
应力幅下多轴比例加载试样的平均疲劳寿命分别
为
55
502,152
214,206
380
周次
，
90°
非比例加载
试样的平均疲劳寿命分别为
3
403,9
674,22
453
周次
。
在相同等效应力幅下
，
非比例加载试样的
疲劳寿命远低于比例加载试样的
。
这是由于非比
例加载时
，
主应力轴的连续旋转会导致材料的疲
劳寿命下降
。
分别选用最大主应力幅和
MATAKE
C10
］提出
的损伤参量对试样进行疲劳寿命估算
。
最大主应力
180
△
—
比例加载
★
—
90°
非比例加载
&
160
*
*
★
*
A
A
A
*
A
A
140
Tbk
★
AA
A
A
120
10
4
10
5
10
6
疲劳寿命
/
周次
图
2
不同应力水平和加载方式下试样的疲劳寿命
Fig.
2
Fatigue
lives
of
specimen
with
different
stress
levels
and
loading
methods
2
机械工程材料
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
刘晓勇•等
：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
幅的多轴加载疲劳寿命估算模型为
imax/2
=
o
f
(27Vf)
4
(4)
式中:时和
b
为材料拉伸疲劳特性参数
，
分别取
398
MPa
和
一
0.084
3
；N
『
为疲劳寿命
；
^
lmax
/2
为
最大主应力幅
。
△
rmax/2
为最大関应力幅;
Bnmx
为最大剪应力幅临
界面上的最大法向应力
。
比例和
90°
非比例加载时
，
加噺/
2
与
6
和
6
的关系为
■J
<7a/4
+
Fa
+
寺匕=/{Nf°
(卩
=0)
2
r
a
+
^cr
a
=r
/
(
Nf°
C(p
=90°)
比例和
90°
非比例加载时
，
&
t
/2
与几和
g
(7)
的关系为
久/
2
+
+
rf
=
(卩
=0)
(一)
S=/(2N$
@=90°)
由图
3
可以看出:比例加载下
，
两种模型的疲劳
寿命估算值与试验值均具有较好的一致性
，
试验值
除以估算值基本在
2
倍误差因子内
；
非比例加载下,
临界面损伤参量的
Matake
多轴加载疲劳寿命
估算模型口
°
〕
为
△
「
论/
2
+亦
=r
；
(Nf)"°
最大主应力模型的疲劳寿命估算值均超岀了两倍误
(6)
差因子范围
，
最大达
20
倍
，
而
Matake
模型的估算
精度仍较好
。
这表明最大主应力模型并不适合该材
料在非比例载荷下的多轴疲劳寿命估算.而
Matake
式中
：
r
；
和
h
0
为材料扭转疲劳特性参数
，
分别为
253.5
MPa
和一
0.082/
为材料特性参数
，
取
0.2
；
A-
比例加载
*
—
90
。
非比例加载
赵
量
槪
担
2
借误差因子
103
10
4
10
6
10
6
M
10
3
10
3
10
4
10
5
10«
试验寿命
/
周次
(a)
最大主应力模型
试验寿命
/周次
(b)
Matake
模型
图
3
两种模型估算的疲劳寿命与试验结果对比
Fig.
3
Comparison
of
estimated
fatigue
life
by
two
models
and
test
results:
(a)
maximum
principal
stress
model
and
Matake
model
2.2
断口形貌
宏观平面向周围扩展而形成的⑴
］,
放射条纹的方向
以在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载
17
904
周次断裂的试样为例进行断口分析
。
由图
4
即为裂纹扩展方向
，
逆向指向裂纹源区
。
疲劳裂纹
在试样的近表面处萌生
。
这是因为试样表面的晶粒
可以看出
，
试样疲劳断口宏观上呈无塑性变形的脆
性断裂特征
，
断口表面存在向四周辐射的放射状条
纹
。
放射条纹是由疲劳裂纹沿一系列具有高度差的
没有受到约束
，
更容易发生塑性变形产生较大应力
。
高的应力集中使得裂纹更容易在试样表面的第二相
以及基体的界面
、
缺陷
、
夹杂物和气孔等位置形
核
2
叭
由图
5
可以看出
，
在等效应力幅为
140
MPa
的
非比例加载条件下
，
试样的疲劳裂纹起源于近表面
夹杂物处
。
能谱分析表明
，
该夹杂物为
A1
2
O
3
o
氧
化夹杂物是在熔体冷却过程中氧化形成的
。
夹杂物
与铝基体的弹性模量不同
，
其周围易产生强烈的应
力集中而萌生裂纹
〔
⑷
。
疲劳裂纹扩展区呈准解理穿晶脆性断裂特征:
图
4
在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载后试样的断口宏观形貌
Fig.
4
Fracture
macromorphology
of
the
sample
after
nonproportional
loading
at
equivalent
stress
amplitude
of
140
MPa
断口由许多解理小刻度面和撕裂棱组成
，
且撕裂棱
凸起
，
呈花瓣状
，
表面均未发现疲劳条带
。
此外
，
裂
纹扩展区还存在二次微裂纹
。
69
MATERIALS
FOR
MECHANICAL
ENGINEERING
刘晓勇
，
等：
Al-12Si-CuNiMg
铸造铝硅合金在多轴加载下的疲劳性能
断裂特征
，且伴有二次裂纹
。
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Al-
1
2Si-CuNiMg
alloy
under
high
temperature
low
cycle
fatigue[JJ.
Materials
Science
and
Engineering
：
A,
2013,
574
：
图
5
在等效应力幅
140
MPa
下非比例加载后试样断口微观形貌
Fig.
5
Fracture
micromorphology
of
the
sample
after
nonpn
)
p
(
>rti<
)
nal
186-190.
[8]
MU
P
・
NAEXDT
Y,NADOT-MARTINC,et
al
Influence
of
casting
loading
at
equivalent
stress
amplitude
of
140
MPa:
(a)
crack
source
regimi
and
(b)
crack
propa^ition
region
defects
on
the
fatigue
behavior
of
cast
aluminum
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：
97-109.
3
结论
(
1)
Al-12Si-CuNiMg
合金的疲劳寿命测试值
较分散
，
在相同等效应力幅下,非比例加载试样的疲
劳寿命远低于比例加载试样的
；
比例加载时,最大主
[9]
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F,
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Crack
initiation
and
propagation
of
cast
A356
aluminum
alloy
under
multi-axial
应力模型和
Matake
模型的疲劳寿命估算值均具有
较高的精度,非比例加载时
，
最大主应力模型的估算
误差较大
，
但
Matake
模型的估算精度仍较高
。
cyclic
loadings
E
J
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Matake
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。
(
2)
多轴加载下试样发生脆性断裂
；
裂纹源位
于近表面氧化夹杂物处
，
裂纹扩展区呈准解理穿晶
究
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