特殊运动器材2A12铝合金疲劳性能与裂纹扩展行为

赵曼曼

摘要：为更好的观察特殊运动器材2A12铝合金在应力条件下的裂纹扩展状况，将通过三维重建方法对2A12铝合金的疲劳寿命以及裂纹扩展状况进行检测，在检测过程中引进CT扫描技术，这样可更加清晰地观察裂纹扩展状况为后续研究提供有效技术支持。针对特殊运动器材2A12铝合金在疲劳状态下产生的裂纹对其进行修复与愈合，并通过搅拌摩擦裂纹修复技术进行实验分析，为特殊运动器材2A12铝合金疲劳裂纹的修复环境营造良好氛围。

关键词：2A12铝合金;疲劳裂纹扩展;搅拌摩擦裂纹修复技术;三维重建

中图分类号：TQ132.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0061-04

Fatigue performance and crack growth behavior of special sports

equipment 2A12 aluminum alloy

ZHAO Manman

（Xi’an Peihua College，Xi’an 710125， China）

Abstract：In order to better observe the crack growth status of special sports equipment 2A12 aluminum alloy under stress conditions， the fatigue life and crack growth status of 2A12 aluminum alloy will be inspected through three-dimensional reconstruction methods， and CT scanning technology will be introduced in the inspection process to provide for clearer observation of crack growth and effective technical support for further studies. The research repairs and heals the cracks generated in the fatigue state of 2A12 aluminum alloy for special sports equipment， and will conduct experiments and analysis through friction stir crack repair technology to create a good atmosphere for the repair environment of 2A12 aluminum alloy fatigue cracks in special sports equipment.

Key words：2A12 aluminum alloy; fatigue crack growth; friction stir crack repair technology; three-dimensional reconstruction

随着我国科技的高速发展，航空航天等領域中构件易形成疲劳状态已经成为不可忽略因素，由于构件长时间处于高负荷作业之中，大部分零件主要由2A12铝合金作为主要制作材料;因此，2A12铝合金在疲劳状态下形成的裂纹以及扩展现象成为众多学者重点关注的研究对象。本文将针对特殊运动器材2A12铝合金在不同应力的作用下，研究疲劳裂纹扩展现象对于疲劳寿命的影响。

1 2A12铝合金疲劳性能与裂纹扩展现状分析

1.12A12铝合金的性能分析及应用领域

2A12铝合金在成分构成方面属于高强度铝合金，相对于其他类型的合金材料，2A12铝合金在性能方面具有较大优势，可作为飞机整体零件的主要制作原材料。随着科技的不断发展，2A12铝合金被应用于机械制造、汽车、船舶等工业制造领域，这些领域均属于高负荷作业，各部分构件长时间遭受外力冲击以及环境因素造成的腐蚀等因素的影响，在其表面呈现的各种各样裂纹提示维修人员该零件应进行修复，任其发展将会造成一定程度的破坏，为保证各领域制作过程中可将2A12铝合金作为主要原材料放心应用，且可整体提高2A12铝合金使用的安全性[1]。

1.22A12铝合金疲劳性能的研究现状

长期处于高负荷环境下工作的构件易产生不同程度的裂纹，该裂纹若不及时处理，对于器材将造成一定的损害，因此，应针对该裂纹进行修复与愈合工作。传统裂纹修复方法主要通过陶瓷、混凝土以及玻璃等脆性材料针对器材进行修复，通过研究表现，一些复合材料与聚合物可实现裂纹自身的修复能力;但该程度的修复仅限于微观程度的缺陷。通过有关学者不断对裂纹的产生与修复进行研究表明，针对处于疲劳状态下的裂纹施加高密度电流可促使裂纹出现闭合现象;但在高密度电流不断作用下，裂纹重新出现，且与修复作用前的裂纹基本一致。随着该观点的提出，引起众多学者的讨论，并提出新的观点。其中，国外专家针对电火花作用下的裂纹进行研究发现，在其表面施加电子束辐照可将产生的裂纹进行修复;但对于器材将造成一定程度的腐蚀。综上所述，为探讨出针对高负荷工作下产生的裂纹如何修复更加有效，且随着搅拌摩擦焊工艺的不断发展，其成为裂纹研究者重点关注的技术之一[2]。

2特殊运动器材2A12铝合金疲劳性能与裂纹扩展实验

2.1疲劳性能与裂纹扩展实验材料

针对特殊运动器材2A12铝合金疲劳状态下产生

的裂纹进行修复，本文采用搅拌摩擦裂纹修复技术进行实验与分析。在本次修复实验中需要准备一块厚度为4 mm的2A12-T4铝合金，并将其轧制呈板状材料，该材料的尺寸设定为430 mm×320 mm×4 mm;采用线切割技术在板材的中心线处预制宽为0.5 mm、深为1 mm的长直表面裂纹，采用宽幅为FSW-3LM-4012的小型搅拌摩擦焊系统。将设备的进给速度110 mm/min、主轴转速700 r/min，设备的下压量应调至0.2 mm[3]。

2.2疲劳性能与裂纹扩展实验方法

通过搅拌摩擦焊系统对特殊运动器材2A12铝合金疲劳状态下产生的裂纹进行修复与愈合后，应将其中一半实验样品通过热处理的方式观察结果，进行对比试验。热处理方法为：将实验样品置于360 ℃的温度下进行退火处理，处理完毕后将样品进行60 min的保温处理后回炉冷却;处理完毕后将其置于495 ℃温度下进行固溶处理，时间为35 min，该过程中应增加水淬步骤，最后将其置于190 ℃温度下开始人工时效，时间为600 min，该方法称之为空冷。修复完成后将针对该实验样品采用电液伺服疲劳实验机开展疲劳试验的相关操作，通过应力水平以及应力比的数据信息最终获得实验样品的疲劳寿命，并采用电子显微镜观察疲劳裂纹的断口样貌以及特征[4]。

32A12铝合金疲劳性能与裂纹扩展实验结果及分析

3.1修复件疲劳寿命对比

为保证修复后实验样品的使用寿命，将针对修复作用下实验样品的疲劳寿命进行对比分析，疲劳寿命对比如图1所示。

对样品采取180 MPa的应力进行实验，该条件为裂纹样品能承受的最大应力。处于180 MPa的应力条件下针对2A12铝合金进行搅拌摩擦裂纹修复，从图1中可观察到修复件的疲劳寿命为632 713 cycle，经过一定温度下的热处理后，修复件的疲劳寿命明显提高，上升至853 356 cycle，较之前相比整体寿命延长34.79%;母材整体疲劳寿命为1710 568 cycle，修复试样以及修复后热处理试样分别占母材寿命的36.98%、49.89%;产生裂纹的实验样品疲劳寿命仅为5147 cycle。综上所述，搅拌摩擦裂纹修复技术的引用有利于特殊运动器材2A12铝合金产生的裂纹疲劳寿命得到显著延长[5]。

3.2修复件裂纹扩展速率分析

通过上述实验可知，经过热处理后的修复件疲劳寿命更长。因此，本文将针对不同环境下的样品裂纹扩展速率进行对比分析，母材裂纹扩展速率明显低于修复件以及经过热处理后修复件的裂纹扩展速率，裂纹扩展速率对比结果，具体如图2所示[6]。

从图2中可知，速率分析主要在娇小的应力强度因子幅度下，将修复试样处于循环载荷下进行扩展实验，当应力强度因子幅度ΔK=10 MPa·m时，经过热处理后的裂纹修复件扩展速率较慢，该状态下的实验样品最接近于母材的裂纹扩展速率;当ΔK<10 MPa·m，或ΔK>15 MPa·m时，修复件与热处理后的修复件速率基本一致。结果表明，热处理方法在一定程度上可以延长疲劳寿命，这与上述实验的最终结果达成一致。

为将速率结果更加明显的体现出来，将针对实验进行归一处理，最终得到归一化的裂纹扩展速率对比结果，具体如图3所示。

从图3中可更好地观察到修复件与经过热处理的修复件之间的区别，在实验之初，二者的裂纹扩展速率基本一致，在ΔK=10 MPa·m时，二者之间差别最大;当ΔK>10 MPa·m时，可以明显观察到经过热处理的修复件扩展速率處于逐渐升高状态;当ΔK=17 MPa·m时，二者扩展速率重回一致状态;当应力强度因子幅度不断增大至20 MPa·m时，修复件开始出现断裂现象;当应力强度因子幅度不断增大至24 MPa·m时，经过热处理的修复件开始出现断裂。

3.3疲劳裂纹扩展试样断口分析

通过上述试验分析可知，决定疲劳寿命最主要的因素为裂纹萌生以及稳定扩展的时间;而出现疲劳断口现象最主要的因素是由于裂纹出现扩展所致。经过一系列观察与分析可知，裂纹现象最开始主要发生于器材表面，通过对修复件、母材以及经过热处理的修复件进行对比分析可知，裂纹的产生具有多个源头，经过搅拌摩擦裂纹修复技术作用下的实验样品在晶粒方面具有较大差异[7]。

4基于CT扫描的2A12铝合金的疲劳裂纹三维重建

4.12A12铝合金的疲劳裂纹图像处理

为更加直观的观察疲劳状态下的特殊运动器材的裂纹情况，将采用三维工业计算机针对裂纹进行CT扫描，通过CT扫描最终以图像的方式进行呈现，用这种方式进行处理具有一定的优势。扫描后形成的图像信息将以cb源文件的形式上传至三维工业计算机中，该图像需要经过特殊的软件进行转化，最终形成普通文件供实验者进行观察，将形成的图像经过对比度以及中值滤波作用下转化为二值化图像，可观察到非高斯噪声的存在，通过离群滤噪即可实现深化处理。

4.22A12铝合金的疲劳裂纹三维重建

为更好的观察特殊运动器材2A12铝合金在应力条件下的裂纹扩展状况，将通过三维重建方法对2A12铝合金的疲劳寿命以及裂纹扩展状况进行检测，CT扫描技术的引进为更加清晰的观察裂纹扩展状况提供有效技术手段。而三维重建技术又将自身分为面绘制以及体绘制，其中面绘制方法主要通过几何单元拼接拟合物体表面的方式对物体的三维结构进行相关工作描述，又称之为表面重建，通过针对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行表面重建的方法有利于快速成像，该方法仅针对比较明确的物体表面进行相关工作，具有一定的呈现效果，且物体表面较为光滑;而体绘制方法的使用有利于充分避免在针对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行表面重建过程中形成伪像痕迹，该方法的缺陷是在重建过程中需要进行大量运算。针对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行表面重建时重点观察实验样品内部的三维信息，因此本文针对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行表面重建时选用体绘制方法，疲劳裂纹三维重建程序流程图如图4所示[8]。

经过三维扫描成像后，将图像数据导入Matlab中实现层叠技术，在该过程中针对等值面进行提取与绘制时将利用Isosurface函数进行相关计算。而

针对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行三维重建时的设备将选择双核2.10 GHz计算机进行图像提取，该双核2.10 GHz计算机的内存服务器为32 GB，通过该计算机进行图像扫描仅需要21.4 s，通过上述条件下形成的三维图像与裂痕实际图像较吻合，结果表明通过三维重建的方法对特殊运动器材2A12铝合金的疲劳裂纹进行重建，效果良好。

5结语

特殊運动器材2A12铝合金在应力的作用下，易出现裂纹结构，随着疲劳循环数的不断增加，特殊运动器材2A12铝合金表面将形成疲劳裂纹。而2A12铝合金材料中具有丰富的第2相粒子，通过第2相粒子与基体脱粘将形成裂纹的主要形成源头，并且裂纹在扩展过程中，若滑移系统出现不同程度的滑动，2A12铝合金材料表面将呈现较为明显的锯齿状晶体学裂纹形貌。通过上述实验可知，在应力水平一定的情况下，裂纹的成核位置和试样表面距离与应力比成正比关系递进;但应力比一定时，二者呈反比关系。实验结果表明，疲劳寿命随着断面裂纹的变化而变化。

【参考文献】

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