铝/铝-镁合金层合板疲劳性能研究*

张丽君，

（北京交通大学 轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心，北京100044）

铝/铝-镁合金层合板疲劳性能研究*

（北京交通大学 轨道车辆结构可靠性与运用检测技术教育部工程研究中心，北京100044）

为同时满足承载和防腐蚀两个要求，铁路浓硝酸罐车罐体选用铝/铝镁合金层合板复合材料，纯铝为其内胆材料，铝镁合金为承载材料。现对上述层合板材料试样进行疲劳性能试验以及弹塑性分析，发现随着外载的增加，由于层合板两种材料变形不协调，界面产生应力集中从而造成界面开裂，裂纹向纯铝层扩展，纯铝层断裂，最终导致层合板断裂。据此，建立了层合板材料的名义应力—寿命曲线和局部应变—寿命曲线，为浓硝酸罐车罐体的疲劳设计提供重要依据。

铝/铝镁合金层合板复合材料；疲劳试验；应力—寿命曲线；弹塑性

载重70 t的铁路浓硝酸罐车主要用于装运浓度为92.5%及以上的浓硝酸，为了满足承载和防腐蚀两个要求，罐体材料选用1060纯铝/5052铝镁合金层合板［1］。在冷的浓硝酸中，强度较低的纯铝层表面会生成一层致密的氧化膜，阻止内部材料与浓硝酸接触，对铝镁合金层起到保护作用。铝镁合金层强度远高于纯铝层，主要用于承载，保证罐体的结构强度。由此，层合板的纯铝层或铝镁合金层的破坏，均会导致罐体失效。研究表明［2-4］，不同强度材料结合的界面，尤其是结合较弱时，在疲劳过程中，界面处将发生不同程度的分层，从而对整体构件的疲劳性能产生重要影响，因此有必要进行深入研究。

本文对上述层合板材料试样进行室内疲劳性能试验以及ANSYS弹塑性分析。通过疲劳试验，建立了该层合板材料在不同应力循环模式下的名义应力—寿命曲线［5］，结合试样破坏形式分析其破坏机理，之后在有限元软件ANSYS中，对试样进行弹塑性分析，从而建立层合板复合材料的局部应变—寿命曲线，为浓硝酸罐车罐体疲劳设计提供依据［6］。

1 疲劳试验

1.1 试验方案

试验设备为MTS810疲劳试验系统，如图1所示，目的是建立1060纯铝/5052铝镁合金层合板复合材料的名义应力—寿命曲线并分析其疲劳破坏机理。

疲劳试样基层为厚度19 mm的铝镁合金，复层为厚度3 mm的纯铝，试样尺寸如图2所示。加载波形为7 Hz正弦波，室内温度20～30℃，干燥、无腐蚀性气体。要求试验系统具有良好的同轴度，使试样受力对称，要求静态平均值和动态幅值的最大允许误差不超过±1%和±3%。

1.2 试验结果

以应力幅值分别为80，60，50，40 MPa和30 MPa依次由高到低进行疲劳试验，得到拉压对称循环（R＝－1）、零—拉脉动循环（R＝0）和零—压脉动循环（R＝－∞）下的应力—寿命数据，由试验数据绘制的名义应力—寿命曲线如图3。可看出，应力幅相同时，试样疲劳寿命：拉压循环＞零—压循环＞零—拉循环，零—压循环与零—拉循环非常接近。而一般金属材料试样疲劳寿命满足规律：零—压循环＞拉压循环＞零—拉循环［7］。产生差别是因为层合板材料的破坏是界面两种材料的相对滑移导致的，因此幅值一样的拉应力和压应力对其产生基本一样的破坏作用，从而图3中曲线②与曲线③非常接近，都低于曲线①。

1.3 疲劳破坏机理分析

各种疲劳试验载荷下，纯铝/铝镁合金复合板疲劳裂纹均起源于粘合界面上，裂纹形成后首先沿横截面朝纯铝方向扩展，纯铝被破坏后再沿横截面朝向铝镁合金方向扩展并导致试样最终断裂，如图4、图5所示。分析其破坏机理，首先，界面存在粘合缺陷，易成为疲劳源区；其次，纯铝和铝镁合金强度不同，纯铝的屈服强度很低，为25 MPa，而铝镁合金的屈服强度相对较高，为195 MPa［8］，在疲劳试验载荷下，纯铝易发生反复的塑性变形，而铝镁合金的应力仍然处于弹性范围内，因此在界面处由于铝镁合金的变形约束导致纯铝一侧的滑移困难并形成应力集中进而成为疲劳薄弱区。所有试验观测中均发现裂纹起源于界面，纯铝层出现屈服现象，使得界面分界处随加载次数的增加逐渐明显，同时在低应力±40 MPa交变循环下出现过界面剥离现象，在0～－80 MPa零—压应力循环下出现过界面剥离和铝层的失稳现象，说明界面是薄弱环节并存在缺陷。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

采用实体单元Solid45模拟疲劳载荷下试样的弹塑性应力应变响应。建立半个试样的有限元模型，单元个数为134 914，节点个数为103 493，界面处及试样圆弧区为关键部位，进行网格细化（如图6）。在模型右端面施加约束，左端面施加2 mm的位移载荷，加载方式为逐步加载，设定载荷子步为50步。得到每一个载荷子步下的约束反力，计算出对应的名义应力，与疲劳试验的加载相对应，读出相应的应力应变结果。

查得1060纯铝的弹性模量为69 GPa，泊松比为0.31，屈服强度为25 MPa，抗拉强度为69 MPa，伸长率为43%；5052铝镁合金的弹性模量为69.3 GPa，泊松比为0.33，屈服强度为195 MPa，抗拉强度为230 MPa，伸长率为12%，根据工程应力与真实应力，工程应变与真实应变之间的转换关系，描绘出两种材料的真实应力应变曲线，两种材料的本构关系均采用双线性随动强化模型BKIN模拟［9-10］，如图7所示。

2.2 仿真结果

当外载为4 t（即名义应力46.63 MPa）时，试样的等效应力分布如图8所示，试样圆弧区的外侧面存在应力集中，界面铝镁合金附近应力最高，为73.64 MPa（低于其屈服强度），纯铝层已进入屈服状态，应力在25 MPa左右，图中可见界面处应力的不均匀过渡。

以材料厚度方向为X轴，如图8，铝镁合金表层为X轴0点，每一层单元最大应力值为Y轴建立坐标系，得到沿材料厚度方向应力的变化曲线，如图9所示，最大应力在试样圆弧区外侧的材料界面处，并且应力存在阶跃现象，两层材料的应力差值接近50 MPa，界面存在较大的应力集中。

同样建立沿材料厚度方向弹性应变、塑性应变的变化曲线，如图10所示，最大总应变（弹性应变与塑性应变之和）发生在试样圆弧区外侧的材料界面处，但塑性应变仅在纯铝一侧产生。

由上可知，界面的应力集中及其附近纯铝产生的反复塑性应变，使界面成为试样的最薄弱区域，产生疲劳裂纹造成试样断裂，这与疲劳试验结果一致。

2.3 局部应变—寿命曲线

当层合板名义应力依次为80，60，50，40，30 MPa时，纯铝层均产生塑性变形，而铝镁合金层一直处于弹性阶段，界面的局部应变最大，其值依次为1.832 179× 10－3，1.364 358×10－3，1.130 447×10－3，0.896 537× 10－3和0.662 482×10－3，由此绘制出层合板的局部应变—寿命曲线，如图11所示。

3 结 论

（1）通过疲劳试验，建立了铝/铝镁合金层合板复合材料在不同应力比下的名义应力—寿命曲线，对于层合板试样，当应力幅相同时，平均应力的绝对值越大，疲劳寿命越短。

（2）试样疲劳裂纹形成后首先沿横截面朝纯铝方向扩展，纯铝被破坏后再沿横截面朝向铝镁合金方向扩展并导致试样最终断裂，原因如下：界面存在粘合缺陷，易成为疲劳源区；两种材料的强度差别很大，纯铝发生反复的塑性变形，界面处铝镁合金的变形约束导致纯铝一侧的滑移困难并形成应力集中。

（3）通过加载位移载荷模拟试样的弹塑性应力应变响应。结果表明，界面处存在应力集中，界面附近纯铝产生塑性应变，而铝镁合金层一直处于弹性阶段。

（4）读出与疲劳试验对应的名义应力下的界面应变，据此绘制出层合板局部应变—寿命曲线，作为浓硝酸罐车车体疲劳设计的依据。

参考文献

［1］ 张少宏，佘小林，屠丹玲，等.铁路浓硝酸铝罐车的腐蚀与防腐［J］.石油化工设备，2007，36（S1）：103-104.

［2］ 高 禹，王 钊，卢少微，等.影响纤维增强树脂基复合材料层合板疲劳性能的主要因素［J］.航空制造技术，2013，（15）：91-95.

［3］ 张 维，吴存利.考虑装配间隙的复合材料层合板螺栓连接结构有限元分析［J］.结构强度研究，2013，（2）：52-56.

［4］ O’Brien T K.Characterization of delamination onset and growth in a composite laminate［R］.Damage in Composite Materials.ASTM STP 775，1982.

［5］ 崔建国，傅永辉，李 年，孙 军，何家文.金属/金属层合板疲劳性能研究［J］.金属学报，2000，36（3）：268-271.

［6］ 赵洪伦，柏立华，于 慧.货车车体结构腐蚀损伤与疲劳寿命研究［J］.铁道车辆，2005，43：5-8.

［7］ 熊峻江.疲劳断裂可靠性工程学［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［8］ 林 钢，林慧国，赵玉涛.铝合金应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［9］ Sussman，T.＆Bathe，K.J.A Finite Element Formulation for Nonlinear Incompressible Elastic and Inelastic A-nalysis［J］.Computers and Structures.1987，26（1/2）：357-409.

［10］ 张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析［M］.北京：机械工业出版社，2008.

Fatigue Performance Study on Aluminum/Aluminum-Magnesium Alloy Laminated Plate

（Engineering Research Center of Structure Reliability and Operation Measurement Technology of Rail Guided Vehicles，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The tank body material of rail tanks for concentrated nitric acid is aluminum/aluminum-magnesium alloy laminated plate to satisfy both requirements of anti-corrosion and force bearing.Aluminum is the inner material and aluminum-magnesium alloy is the load bearing material.In this paper，fatigue test and elastic-plastic analysis for above laminated plate specimens were taken to further study the material mechanical properties.We found that as the load increases，the deformation of the two kinds of materials is inharmonious，which leads to stress concentration and interfacial crack.Then the crack expands to the aluminum layer and makes the fracture of the laminated plate eventually.The nominal stress-life curve and local strain-life curve of the laminated plate material are established which will provide important reference for the tank fatigue design of rail tanks for concentrated nitric acid.

Al/Al-Mg alloy laminated plate；fatigue test；stress-life curve；elastic-plastic research

U272.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.08

1008－7842（2014）05－0035－04

*中央高校基本科研业务费专项资金资助（2011JBM287）

9—）女，硕士研究生（

2014－01－08）