关于紧凑拉伸试样加工质量对7050铝合金板材Kic影响的研究

作者：郑晓敏

  航空航天材料安全性要求高，在结构设计时，都进行严格的安全评定和寿命预测，因此断裂韧度Kic的检测是必不可少的。断裂韧度表征了材料在静载荷作用下对裂纹的敏感程度，即表征带裂纹体的材料裂纹尖端处应力的强弱程度。紧凑拉伸(简称C(T))试样具有试样小、所需材料少、在较低载荷下即可完成试验的优点，因此常被用于材料Kic的检测。但C(T)试样形状较复杂，加工质量难以保证，在Kic性能检测过程中，C(T)试样的加工质量对Kic的检测结果影响很大，经常出现检测结果波动大或出现Ko值不满足平面应变条件而无效的现象（K。为Kic的条件值），大大降低了检测效率及检测结果的准确性。本试验将7050-T7451铝合金板材加工成35 mm厚L-T方向（L代表受力方向，T代表裂纹扩展方向）的C(T)试样，针对不同的加工质量及尺寸的试样进行了对比试验，旨在为试样加工和检测提供参考依据。

1  试验材料与方法

将50 mm厚7050-T7451铝合金板材锯切成100mm x100 mm×50 mm块状试样，在VMP-23A型数控加工中心完成铣面、钻孔，采用DK7720型线切割机进行机械切口加工，试样如图1所示。按试样比例尺寸加工成不同表面粗糙度、不同孔偏差和不同切口尖角的B=35 mm的C(T)试样，具体试样加工方案如表1所示。将不同试样在MTS810型电液伺服疲劳试验机上按照GB/T4161试验方法标准进行试验，试验结果取三个试样的平均值；试验样品的表面粗糙度采用TR200表面粗糙度测量仪进行测量；试验样品的宏观照片采用SM-N9008S照相机进行拍摄；金相组织采用Axio Observer. AIM蔡司显微镜进行组织观察。

2  试验结果与分析

2.1  表面粗糙度对Kic的影响

通过改变铣床转速、刀齿数制取了两种不同表面粗糙度和两种不同加工刀痕方向的试样（见表1中1#~5#试样），试样如图2所示。

在各项试验条件相同的情况下，对不同试样进行了Kic的检测，检测结果如表2所示。由表2中的1#、2#和4#试样的试验结果对比可知，随着试样表面粗糙度的增大，K。值逐渐增大，当表面粗糙度大于等于50um时，Ko值不满足平面应变条件，为无效的断裂韧度值；由表2中的2#和3#试样试验结果对比可知，加工刀痕平行于裂纹扩展方向的试样测量数值更高一些，4#和5#试样的对比结果也有相同的规律。

由于C(T)试样表面粗糙，导致预制过程中产生更多新的裂纹表面（如图3），所需能量增加，预制同样长度的裂纹所需的循环次数增加；同时，粗糙的试样表面使得预制得到的裂纹不够尖锐，再加上粗糙的试样表面，造成试样断裂时断裂面方向不能沿着裂纹扩展方向发生，试样断裂十分异常（如图4），多数试样因不满足GB/T4161试验方法判据“裂纹面与起始缺口面平行，偏差不大于±10°”而使Kic无效，只能检测出K。值，同时造成裂纹尖端应力强度因子增大，Ko值偏大失真，对检测效率及准确性有很大影响。因此，试样加工表面粗糙度应不大于1.0um，且要注意最后加工及磨削刀痕方向应垂直于裂纹扩展方向，最大程度减少试样表面质量及加工刀痕对检测结果的影响，这一点在GB/T 4161标准中也有明确要求。

2.2  试样孔的偏差对Kic的影响

  调整C(T)试样的孔偏差C和E值，见表1中试样1#、6#~9#所示。分别加工三组试样，在其他试验条件相同的情况下进行检测，其检测结果平均值如表3和表4所示。可见，随着C值的逐渐增加，预制裂纹循环次数增加，而断裂韧度值先增后减，当C值为标准值时，断裂韧度值最大；随着E值的逐渐增加，预制裂纹循环次数增加，而断裂韧度值逐渐减小，即E值为标准值时，断裂韧度值最高。由此可见，孔的位置对K．。的数值有很大影响。这主要是由于裂纹扩展受力不均匀，引起断口裂纹扩展方向发生了偏移，边部裂纹两边不对称，并且不同试样裂纹深度不同，如图5中裂纹的扩展所示。由此可见，为了保证检测过程中C(T)试样受力均匀，两个销孔加工时保证孔径的尺寸尽量控制为标准值，且标准方法里规定偏差控制在0.3 mm内最适宜，该试验也证明了这一点。

2.3不同机械缺口尖角对K．。的影响

  将C(T)试样机械缺口尖角分别加工为150、60。、900、1600的四组试样，试样尖角局部如图6所示。在其他试验条件相同的情况下，进行了K。检测，试验结果平均值见表5所示。由表5可以看出，与缺口尖角60。和900相比较，当尖角小于90。时，对Kic检测结果

影响较小，当尖角超过900以后时，由于大大降低了切口尖端的应力集中程度，试样不满足平面应变条件，使得测得的Ko值为无效的断裂韧度值，而检测不到有效K。，且随着角度的增大Ko值也增大。

图7为不同缺口尖角试样试验后的断裂图。当试样尖角小于90°时，断裂位置居中，裂纹面与起始缺口面平行，符合检测标准要求，当试样尖角大于90°，达到160°时，断裂位置产生严重偏移，试样断裂后，裂纹面与起始缺口面偏差超过±10°的标准要求，出现K。值不满足有效Kic值的条件要求，同时因为裂纹走向不平直造成尖端应力强度因子增大，导致Ko值偏高，检测结果与材料真实断裂韧性偏差较大，检测数据失真。

当试样尖角加工超过90°时，裂纹尖端发生钝化现象，且试样断后断口成锯齿状，见图8所示。产生锯齿原因，分析认为是由于试样没有尖锐的裂纹尖端，缺口应力不集中，引发的预制疲劳裂纹不只是一条平直裂纹，而是存在多个裂纹源，随着应力的反复施加，导致最终扩展是沿着主裂纹源和次裂纹源进行的，因此断口呈锯齿形断口。因此，试样尖角应最大控制在90°范围以内，来防止预制过程中裂纹钝化不扩展，防止高K值扩展检测失效、失真（K为试验参数，K值偏小，预制不出有效裂纹；K值偏大，检测不到有效Kic。试样尖角过大或发生钝化时，为了预制出裂纹，实际检测中往往提高K值）或扩展出现明显的多条裂纹源。

3  结论

  1)试样表面粗糙，预制裂纹所需的循环次数增加，预制得到的裂纹不够尖锐，试样断裂严重异常，只能检测出K。值，且K值偏大失真，对检测效率及准确性有很大影响。因此为消除试样表面缺陷对检测结果的影响，试样表面粗糙度应小于1.0 um。

  2)试样孔加工有尺寸偏离时，K。检测结果偏低；孔不对称及偏斜时，预制及断裂过程试样受力不均，造成预制裂纹偏斜而测不出有效的Kl。。严重不对称及偏斜时，甚至造成试样装夹困难。为了保证试验过程中试样受力均匀，两个销孔加工时保证孔径的尺寸偏差控制在0.3 mm内，同时保证两孔对称度及孔与试样表面垂直度不超过0.1 mm。

  3)试样尖角应控制在小于900范围内，建议缺口根部半径最大为0.1 mm，防止尖角裂纹钝化不扩展，保证预制过程中不能有明显的多条裂纹。

4)通过提高试样加工质量，试验参数合理设定，可以提高检测结果的准确性和有效性，缩短检测周期，提高检测效率。

4摘要：试验研究了7050-T7451铝合金板材紧凑拉伸试样的表面粗糙度、加工刀痕方向、孔尺寸偏差、机械切口尖角角度等对断裂韧度Kic检测结果的影响规律。结果表明，试样表面粗糙度不大于1.0um、孔加工尺寸偏差小于0.3mm、试样尖角控制在90。以内时，可以提高检测结果的准确性和有效性。