轨道交通用6005A铝合金疲劳断裂特征分析.pdf

24上海电气技术2023,16(3)轨道交通用6 0 0 5 A铝合金疲劳断裂特征分析杨丽耿庆涛黄健吴海旭曲凤娇王东辉辽宁忠旺集团有限公司辽宁辽阳111003摘要：以供货状态下的轨道交通用薄壁复杂断面6 0 0 5 A空心铝合金型材为研究对象，在大气环境下采用轴向加载方式进行疲劳试验，采用扫描电子显微镜进行疲劳断口观察，分析6 0 0 5 A铝合金的疲劳断裂特征。试验结果显示，轨道交通用6 0 0 5 A铝合金疲劳源位置在试样加工的侧面，位于棱角附近，可能与表面铣加工刀痕有关。整个断口可以分为疲劳源区、疲劳扩展区、疲劳瞬断区三大部分。裂纹起源于试样表面，呈点源特征。疲劳扩展区可见明显放射棱线，疲劳瞬断区断面较粗糙。疲劳源区光亮、细滑。疲劳扩展区疲劳条带清晰，扩展中期条带间距较小，后期较大。疲劳瞬断区呈现韧窝特征。关键词：轨道交通；铝合金；疲劳断裂；特征；分析中图分类号：U270.4+1Abstract:The study focuses on the thin-walled complex section 6005A hollow aluminum alloyprofile used in rail transit under the supply condition.Fatigue test was carried out under atmosphericenvironment by axial loading method,and the fatigue fracture was observed by scanning electronmicroscope to analyze the fatigue fracture characteristic of 6005A aluminum alloy.The test resultshows that the fatigue source of 6005A aluminum alloy used in rail transit is located on the side of thesample processing,near the edge,which may be related to the cutting mark of surface milling.Theentire fracture can be divided into three parts such as fatigue source zone,fatigue propagation zone,and fatigue transient fracture zone.The crack originates from the surface of the sample and exhibitspoint source characteristic.Obvious radiative edge can be seen in the fatigue propagation zone,and thecross-section of the fatigue transient fracture zone is relatively rough.The fatigue source zone is brightand smooth.The fatigue band in the fatigue propagation zone is clear,with a smaller spacing betweenthe bands in the middle stage of expansion and a wider spacing in the later stage.The fatigue transientfracture zone exhibits dimple characteristic.Keywords:Rail Transit;Aluminum Alloy;Fatigue Fracture;Characteristic;Analysis文献标志码：A文章编号：1 6 7 4-5 4 0 X（2 0 2 3)0 3-0 2 4-0 4成型、耐腐蚀等诸多优点，被广泛应用于制造城际列1分析背景车、地铁、高速列车等轨道交通车辆车体。6 0 0 5 A铝近年来，随着我国轨道交通事业的飞速发展，轨合金属典型Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有道交通车辆结构的轻量化已成为轨道交通行业的研中等强度、优异的挤压性和耐蚀性等优点，可由7 5究重点，并且是轨道交通车辆升级的必由之路。轻MN及以上大型挤压机挤压出大型薄壁复杂断面空量化对轨道交通车辆提速、降噪、节能等方面均具有心型材，并且能在挤压机上实现在线淬火，已广泛应重要的现实意义，由此对轨道交通车辆车体材料提用于轨道交通车辆车体制造。随着轨道交通车辆运出了越来越高的要求。铝合金具有密度小、易加工行速度越来越快，关键部件大部分都需要承受疲劳收稿时间：2 0 2 3-0 1第一作者简介：杨丽（1 9 8 6 一），女，本科，高级工程师，主要从事铝及铝合金材料性能测试研究工作2023,16(3)载荷作用,对于疲劳性能的要求也在提高。为了保证铝合金构件的耐久性和安全性，系统深人认识铝合金的疲劳性能具有重要意义。笔者以轨道交通用典型薄壁复杂断面6 0 0 5 A-T6空心铝合金型材为研究对象，在大气环境下进行轴向加载疲劳性能试验及疲劳断口宏观微观形貌观察，由此分析轨道交通用6 0 0 5 A铝合金的疲劳断裂特征。2试验材料试验材料为轨道交通用大规格复杂截面6 0 0 5 A元素Si含量0.77%上海电气技术铝合金空心型材，供货状态为T6，化学成分见表1。通过采用1 0 0 kN电子万能拉力试验机，执行国标GB/T16865一2 0 1 3变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法，对室温下的材料拉伸性能进行试验，试验结果平均值为规定非比例延伸强度267MPa、抗拉强度2 8 1 MPa、断后伸长率9.5%，完全符合国标GB/T264942016轨道交通车辆结构用铝合金挤压型材规定，并且满足客户要求，由此表明试验材料的基础理化性能良好，适合进行疲劳断裂特征分析。表1 试验材料化学成分MgFe0.55%0.15%25CuMn0.14%0.26%Cr0.02%Ti0.04%A1余量3试验方法从轨道交通用6 0 0 5 A铝合金空心型材上切取试片，加工成标准板式疲劳试样，如图1 所示。在疲劳试验机上进行疲劳试验，加载方式为轴向加载，试验环境为大气，试验最大应力为1 2 8 MPa，最小应力为1 2.8 MPa，应力比为0.1,试验频率为2 0 Hz。疲劳试验机如图2 所示。其余R250.4/45?75图1 疲劳试样从轨道交通用6 0 0 5 A铝合金空心型材上切取宽度小于30 mm、高度小于2 5 mm的金相试样，由吸耳球清洁断口表面，采用扫描电子显微镜观察疲劳断口。4试验结果分析4.1疲劳断口特征试验测得，轨道交通用6 0 0 5 A铝合金空心型材疲劳断裂循环次数为每周1 0 5 9 0 5 8 5 次，满足客户协议要求，表明产品疲劳性能良好。图 2 疲劳试验机10.1A-B150试验材料疲劳断口宏观形貌特征如图3所示。由图3可见，疲劳断口呈现典型的三个明显特征区：疲劳源区、疲劳扩展区、疲劳瞬断区。疲劳裂纹于试样表面起源，呈现出点源特征。疲劳源区较光亮、细滑。疲劳扩展区可见明显的放射棱线特征，疲劳扩展区与疲劳瞬断区有明显界线，并且成一定角度。疲劳瞬断区断面较粗糙，呈颗粒状。试验材料疲劳断口微观形貌特征如图4 所示。疲劳源区为点源，由于试验期间的反复摩擦,导致疲劳源区较光亮、细滑。疲劳扩展区疲劳条带清晰，局部可见二次裂纹。疲劳扩展中期疲劳条带间距较小，疲劳扩展后期疲劳条带间距较大。疲劳瞬断区为韧窝特征，韧窝以浅韧窝为主。26上海电气技术2023,16(3)92.7um94.3um(a)疲劳源区(a)疲劳源区699nm630nm(b）疲劳扩展中期疲劳条带(b)疲劳稳定扩展区(c）疲劳扩展后期疲劳条带(c）失稳疲劳扩展区与疲劳瞬断区(d)疲劳瞬断区韧窝图4 试验材料疲劳断口微观形貌特征(d)疲劳瞬断区图3试验材料疲劳断口宏观形貌特征4.2疲劳条带形成机理疲劳条带形成机理如下：裂纹闭合；裂纹受拉应2023,16(3)力张开，裂纹尖端应力集中，沿4 5 滑移；拉应力达到最大值，滑移区扩大，裂纹尖端变为圆形，发生塑性钝化，裂纹停止扩展；裂纹受反向压应力闭合，裂纹表面被压合，裂纹尖端又由钝变锐，由此形成一对尖角。通过以上分析可见，应力循环一周后，在断口上留下一条疲劳条带，裂纹向前扩展一个条带的距离。疲劳条带为疲劳断口的典型微观特征，是交变应力每循环一次裂纹扩展留下的痕迹。5结束语笔者通过试验，对轨道交通用6 0 0 5 A铝合金疲劳断裂特征进行分析。（1）通过试验可见，疲劳源的位置在试样加工的侧面，位于棱角附近，可能与表面铣加工刀痕有关，应提高加工质量。（2）由疲劳断口宏观形貌观察到整个断口分为疲劳源区、疲劳扩展区、疲劳瞬断区三大部分，裂纹起源于试样表面，呈点源特征，疲劳扩展区可见明显的放射棱线，疲劳瞬断区断面较粗糙。（3）由疲劳断口微观形貌观察到疲劳源区较光亮、细滑，疲劳扩展区疲劳条带清晰，疲劳扩展中期疲劳条带间距较小，疲劳扩展后期疲劳条带间距较大，疲劳瞬断区为韧窝特征。上海电气技术1 罗彦云，蒲全卫，左国良.铝合金和镁合金在轨道交通装备轻量化上的应用J.电力机车与城规车辆，2 0 2 0，43(3):1-5.2 度文海，杨尚磊，杨文涛，等.轨道交通用6 0 8 2-T6铝合金MIG焊接接头组织与疲劳性能JJ.材料导报，2 0 1 5，29(20):105-109.3彭自业，赵茂密，姜小龙，等.均匀化处理对6 0 0 5 A铝合金轨道交通型材组织和力学性能的影响J.轻合金加工技术,2 0 1 7,4 5(3)：31-34.4 周龙，孙亮，刘兆伟，等。时效工艺对车辆用6 0 0 5 A合金挤压型材性能的影响J.有色金属加工,2 0 1 9，4 8（5）：37-40.5 孙文超.高速列车车体用6 0 0 5 A铝合金弯曲性能提升研究.铝加工，2 0 1 5（5）：2 0-2 3.6 杨文超，汪明朴，盛晓菲，等.轨道交通车辆用6 0 0 5 A合金板材时效析出及硬化行为研究J.金属学报，2 0 1 0，46(12):1481-1487.7 庞嘉尧，张萃，程伟.铝合金疲劳性能研究进展J.特种铸造及有色合金，2 0 2 2，4 2（6）：7 1 7-7 2 6.8 邓鹏.高速列车铝合金疲劳性能和损伤容限研究D.成都：西南交通大学，2 0 1 9.9 束德林.工程材料力学性能M.3版.北京：机械工业出版社，2 0 1 6.(编辑：尔东)27参考文献(上接第1 3页）不单独安装避雷器引线，有效解决避雷器引线易断线后搭接横担引起的接地故障。内置限压器的复合绝缘子安装运行至今，经历多次雷电袭击，变压器没有出现雷击损坏，已初步达到预期效果。下一步还将在1 0 kV配电线路直线杆上进行应用，以验证内置限压器的复合绝缘子对于配电线路的适用性。参考文献1 张纬，何金良，高玉明，等.过电压防护及绝缘配合M.北京：清华大学出版社，2 0 0 2.2 沈海滨，雷挺，陈康，等.一种1 0 kV线路用内置压敏电阻柱式复合绝缘子研制J.电瓷避雷器，2 0 2 1（3）：1 7 9-187.3高玉明，吴维韩，欧阳昌宜.有关线路避雷器标准和参数设计中的几个问题J.中国电力，2 0 0 1 34（2）：5 4-58.4 晏庆模.1 0 kV变配电所高压系统设计中MOA避雷器的选型J.建筑电气，2 0 1 332（5）：36-4 0.（编辑：尔东）