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作者：鄭曉敏

  航空航天材料安全性要求高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，都進(jìn)行嚴(yán)格的安全評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)，因此斷裂韌度Kic的檢測(cè)是必不可少的。斷裂韌度表征了材料在靜載荷作用下對(duì)裂紋的敏感程度，即表征帶裂紋體的材料裂紋尖端處應(yīng)力的強(qiáng)弱程度。緊湊拉伸(簡(jiǎn)稱C(T))試樣具有試樣小、所需材料少、在較低載荷下即可完成試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此常被用于材料Kic的檢測(cè)。但C(T)試樣形狀較復(fù)雜，加工質(zhì)量難以保證，在Kic性能檢測(cè)過(guò)程中，C(T)試樣的加工質(zhì)量對(duì)Kic的檢測(cè)結(jié)果影響很大，經(jīng)常出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果波動(dòng)大或出現(xiàn)Ko值不滿足平面應(yīng)變條件而無(wú)效的現(xiàn)象（K。為Kic的條件值），大大降低了檢測(cè)效率及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)將7050-T7451鋁合金板材加工成35 mm厚L-T方向（L代表受力方向，T代表裂紋擴(kuò)展方向）的C(T)試樣，針對(duì)不同的加工質(zhì)量及尺寸的試樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，旨在為試樣加工和檢測(cè)提供參考依據(jù)。

1  試驗(yàn)材料與方法

將50 mm厚7050-T7451鋁合金板材鋸切成100mm x100 mm×50 mm塊狀試樣，在VMP-23A型數(shù)控加工中心完成銑面、鉆孔，采用DK7720型線切割機(jī)進(jìn)行機(jī)械切口加工，試樣如圖1所示。按試樣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)試樣，具體試樣加工方案如表1所示。將不同試樣在MTS810型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T4161試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取三個(gè)試樣的平均值；試驗(yàn)樣品的表面粗糙度采用TR200表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量；試驗(yàn)樣品的宏觀照片采用SM-N9008S照相機(jī)進(jìn)行拍攝；金相組織采用Axio Observer. AIM蔡司顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  表面粗糙度對(duì)Kic的影響

通過(guò)改變銑床轉(zhuǎn)速、刀齒數(shù)制取了兩種不同表面粗糙度和兩種不同加工刀痕方向的試樣（見(jiàn)表1中1#~5#試樣），試樣如圖2所示。

在各項(xiàng)試驗(yàn)條件相同的情況下，對(duì)不同試樣進(jìn)行了Kic的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2中的1#、2#和4#試樣的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，隨著試樣表面粗糙度的增大，K。值逐漸增大，當(dāng)表面粗糙度大于等于50um時(shí)，Ko值不滿足平面應(yīng)變條件，為無(wú)效的斷裂韌度值；由表2中的2#和3#試樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，加工刀痕平行于裂紋擴(kuò)展方向的試樣測(cè)量數(shù)值更高一些，4#和5#試樣的對(duì)比結(jié)果也有相同的規(guī)律。

由于C(T)試樣表面粗糙，導(dǎo)致預(yù)制過(guò)程中產(chǎn)生更多新的裂紋表面（如圖3），所需能量增加，預(yù)制同樣長(zhǎng)度的裂紋所需的循環(huán)次數(shù)增加；同時(shí)，粗糙的試樣表面使得預(yù)制得到的裂紋不夠尖銳，再加上粗糙的試樣表面，造成試樣斷裂時(shí)斷裂面方向不能沿著裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生，試樣斷裂十分異常（如圖4），多數(shù)試樣因不滿足GB/T4161試驗(yàn)方法判據(jù)“裂紋面與起始缺口面平行，偏差不大于±10°”而使Kic無(wú)效，只能檢測(cè)出K。值，同時(shí)造成裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，Ko值偏大失真，對(duì)檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性有很大影響。因此，試樣加工表面粗糙度應(yīng)不大于1.0um，且要注意最后加工及磨削刀痕方向應(yīng)垂直于裂紋擴(kuò)展方向，最大程度減少試樣表面質(zhì)量及加工刀痕對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，這一點(diǎn)在GB/T 4161標(biāo)準(zhǔn)中也有明確要求。

2.2  試樣孔的偏差對(duì)Kic的影響

  調(diào)整C(T)試樣的孔偏差C和E值，見(jiàn)表1中試樣1#、6#~9#所示。分別加工三組試樣，在其他試驗(yàn)條件相同的情況下進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果平均值如表3和表4所示�？梢�(jiàn)，隨著C值的逐漸增加，預(yù)制裂紋循環(huán)次數(shù)增加，而斷裂韌度值先增后減，當(dāng)C值為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，斷裂韌度值最大；隨著E值的逐漸增加，預(yù)制裂紋循環(huán)次數(shù)增加，而斷裂韌度值逐漸減小，即E值為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，斷裂韌度值最高。由此可見(jiàn)，孔的位置對(duì)K．。的數(shù)值有很大影響。這主要是由于裂紋擴(kuò)展受力不均勻，引起斷口裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生了偏移，邊部裂紋兩邊不對(duì)稱，并且不同試樣裂紋深度不同，如圖5中裂紋的擴(kuò)展所示。由此可見(jiàn)，為了保證檢測(cè)過(guò)程中C(T)試樣受力均勻，兩個(gè)銷孔加工時(shí)保證孔徑的尺寸盡量控制為標(biāo)準(zhǔn)值，且標(biāo)準(zhǔn)方法里規(guī)定偏差控制在0.3 mm內(nèi)最適宜，該試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

2.3不同機(jī)械缺口尖角對(duì)K．。的影響

  將C(T)試樣機(jī)械缺口尖角分別加工為150、60。、900、1600的四組試樣，試樣尖角局部如圖6所示。在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，進(jìn)行了K。檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果平均值見(jiàn)表5所示。由表5可以看出，與缺口尖角60。和900相比較，當(dāng)尖角小于90。時(shí)，對(duì)Kic檢測(cè)結(jié)果

影響較小，當(dāng)尖角超過(guò)900以后時(shí)，由于大大降低了切口尖端的應(yīng)力集中程度，試樣不滿足平面應(yīng)變條件，使得測(cè)得的Ko值為無(wú)效的斷裂韌度值，而檢測(cè)不到有效K。，且隨著角度的增大Ko值也增大。

圖7為不同缺口尖角試樣試驗(yàn)后的斷裂圖。當(dāng)試樣尖角小于90°時(shí)，斷裂位置居中，裂紋面與起始缺口面平行，符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)試樣尖角大于90°，達(dá)到160°時(shí)，斷裂位置產(chǎn)生嚴(yán)重偏移，試樣斷裂后，裂紋面與起始缺口面偏差超過(guò)±10°的標(biāo)準(zhǔn)要求，出現(xiàn)K。值不滿足有效Kic值的條件要求，同時(shí)因?yàn)榱鸭y走向不平直造成尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，導(dǎo)致Ko值偏高，檢測(cè)結(jié)果與材料真實(shí)斷裂韌性偏差較大，檢測(cè)數(shù)據(jù)失真。

當(dāng)試樣尖角加工超過(guò)90°時(shí)，裂紋尖端發(fā)生鈍化現(xiàn)象，且試樣斷后斷口成鋸齒狀，見(jiàn)圖8所示。產(chǎn)生鋸齒原因，分析認(rèn)為是由于試樣沒(méi)有尖銳的裂紋尖端，缺口應(yīng)力不集中，引發(fā)的預(yù)制疲勞裂紋不只是一條平直裂紋，而是存在多個(gè)裂紋源，隨著應(yīng)力的反復(fù)施加，導(dǎo)致最終擴(kuò)展是沿著主裂紋源和次裂紋源進(jìn)行的，因此斷口呈鋸齒形斷口。因此，試樣尖角應(yīng)最大控制在90°范圍以內(nèi)，來(lái)防止預(yù)制過(guò)程中裂紋鈍化不擴(kuò)展，防止高K值擴(kuò)展檢測(cè)失效、失真（K為試驗(yàn)參數(shù)，K值偏小，預(yù)制不出有效裂紋；K值偏大，檢測(cè)不到有效Kic。試樣尖角過(guò)大或發(fā)生鈍化時(shí)，為了預(yù)制出裂紋，實(shí)際檢測(cè)中往往提高K值）或擴(kuò)展出現(xiàn)明顯的多條裂紋源。

3  結(jié)論

  1)試樣表面粗糙，預(yù)制裂紋所需的循環(huán)次數(shù)增加，預(yù)制得到的裂紋不夠尖銳，試樣斷裂嚴(yán)重異常，只能檢測(cè)出K。值，且K值偏大失真，對(duì)檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性有很大影響。因此為消除試樣表面缺陷對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，試樣表面粗糙度應(yīng)小于1.0 um。

  2)試樣孔加工有尺寸偏離時(shí)，K。檢測(cè)結(jié)果偏低；孔不對(duì)稱及偏斜時(shí)，預(yù)制及斷裂過(guò)程試樣受力不均，造成預(yù)制裂紋偏斜而測(cè)不出有效的Kl。。嚴(yán)重不對(duì)稱及偏斜時(shí)，甚至造成試樣裝夾困難。為了保證試驗(yàn)過(guò)程中試樣受力均勻，兩個(gè)銷孔加工時(shí)保證孔徑的尺寸偏差控制在0.3 mm內(nèi)，同時(shí)保證兩孔對(duì)稱度及孔與試樣表面垂直度不超過(guò)0.1 mm。

  3)試樣尖角應(yīng)控制在小于900范圍內(nèi)，建議缺口根部半徑最大為0.1 mm，防止尖角裂紋鈍化不擴(kuò)展，保證預(yù)制過(guò)程中不能有明顯的多條裂紋。

4)通過(guò)提高試樣加工質(zhì)量，試驗(yàn)參數(shù)合理設(shè)定，可以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，縮短檢測(cè)周期，提高檢測(cè)效率。

4摘要：試驗(yàn)研究了7050-T7451鋁合金板材緊湊拉伸試樣的表面粗糙度、加工刀痕方向、孔尺寸偏差、機(jī)械切口尖角角度等對(duì)斷裂韌度Kic檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律。結(jié)果表明，試樣表面粗糙度不大于1.0um、孔加工尺寸偏差小于0.3mm、試樣尖角控制在90。以內(nèi)時(shí)，可以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。