【论文介绍】基于DIC的铝合金薄壁缺口件多轴疲劳行为
01
研究背景
7075铝合金具有较高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空领域，如飞机蒙皮、翼梁等部件。疲劳是飞行器结构件失效的重要原因之一。从结构件工况条件下的应力状态考虑，可分为单轴疲劳和多轴疲劳，发生在许多在役部件和结构中的疲劳失效实际上归因于多轴疲劳。一方面由于这些结构本身的几何形状复杂性，即便在单轴载荷下，在缺口部位通常也存在多轴应力分布；另一方面，这些结构在工作时往往承受多种载荷的周期性作用。
数字图像相关技术（digitalimage correlation, DIC），可以在疲劳实验的全过程表征材料表面的应变场，突破传统疲劳实验信息获取方式单一的局限性，为研究疲劳机理提供了新的研究方法。
结合DIC技术，本工作对7075-T651铝合金薄壁缺口件进行等效应力变量的多轴疲劳实验，分析缺口局部应变和多轴疲劳行为，对SWT模型进行修正，完成不同加载条件下的薄壁缺口件多轴疲劳寿命预测。
02
结果展示
图1为等效应力幅值为125 MPa的加载条件下，随着缺口件多轴疲劳加载周次的变化，试样缺口附近3个方向DIC应变云图。分别对加载周次与疲劳寿命比值为75%，90%，95%和99%时的应变云图进行分析。当小于75%时，试样缺口附近轴向、扭向和剪切工程应变均变化不大，处于疲劳加载的前期；当达到90%时，观察到显著的应变集中现象在试样缺口附近出现；而随着疲劳加载周次的增加，该现象逐渐增强，并形成微裂纹，微裂纹逐渐扩展，最终导致试样断裂。
图1 125 MPa等效应力幅下工程应变随缺口件多轴疲劳寿命的变化
(a) 轴向工程应变；(b)扭向工程应变；(c)剪切工程应变
图2为等效应力幅值为225 MPa的加载条件下，随着缺口件多轴疲劳加载周次的变化，试样缺口附近3个方向DIC工程应变云图的变化，同样选择为75%，90%和99%时的工程应变云图进行分析。与加载等效应力幅值为125 MPa的试样相比，75%时，加载等效应力幅值为225 MPa的试样缺口附近已经出现应变集中现象，使其在疲劳实验中更早出现微裂纹，故多轴疲劳寿命下降。
图 2 225 MPa等效应力幅下工程应变随缺口件多轴疲劳寿命的变化
(a) 轴向工程应变；(b) 扭向工程应变；(c) 剪切工程应变
加载等效应力幅值为175 MPa的试样应变云图和断口微观形貌示于图3。图3(a)为试样应变云图，应变集中首先出现在缺口根部，从而导致微裂纹的萌生。如图3(b)所示，裂纹源区呈放射状河流形貌。如图3(c)所示，在裂纹扩展区观察到明显的疲劳条带。图3(d)为瞬断区形貌，观察到大量韧窝。
图 3 加载等效应力幅值为175 MPa试样断口应变云图及微观形貌
(a)剪应变云图；(b)裂纹源区；(c)裂纹扩展区；(d)瞬断区
应用以下三种寿命预测准则进行疲劳寿命预测：
应力集中系数法：
最大剪应变法：
SWT准则：
基于本文应力控制实验特点，选取临界平面上的正应力幅值和最大正应变的乘积为损伤参量，对SWT模型进行了修正，修正后模型为：
表1为3种模型对缺口件等效应力幅值变量比例多轴疲劳实验的寿命预测结果，将试样平均寿命和3种模型得到的预测寿命进行对比，得到以下结论：应力集中系数法的预测结果与实验平均寿命相差较大，该方法不适用于本实验条件；最大剪应变法的预测结果与实验平均寿命相比过于保守，且预测精度随着等效应力幅的增加而降低，虽然其利用了DIC分析得到的最大剪应变，但仍然不能对本文实验条件下的试样疲劳寿命进行较准确的估计；本文提出的修正SWT模型，利用DIC分析得到临界平面角度和缺口附近各方向最大工程应变，基于临界平面上最大正应力和最大正应变，推导得到了适用于缺口件多轴疲劳寿命预测的公式，预测结果与实验平均寿命比较接近。
表 1 寿命预测结果
本文提出的修正SWT模型预测寿命与实验寿命的对比示于图4。可知，本文修正的SWT模型寿命预测结果全部位于两倍分散带之内，表现出良好的预测能力。
图4 修正SWT模型寿命预测结果
03
结论
(1) 不同加载条件下，DIC分析得到的轴向工程应变，扭向工程应变和剪切工程应变，在裂纹萌生阶段均基本没有改变，在裂纹扩展和瞬断阶段发生显著变化，3个应变量的值均随加载等效应力幅的增大而上升。
(2) 结合DIC分析得到临界平面角度和缺口附近各方向最大工程应变，基于临界平面上最大正应力和最大正应变，得到适用于应力控制实验的修正SWT模型，预测结果良好，全部位于两倍分散带之内。
论文出处：
基于DIC的铝合金薄壁缺口件多轴疲劳行为
陈亚军，徐鹏达，王付胜，刘辰辰
材料工程，2021，49（1）:168-176
DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2019.001158
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