轨道车辆用5083铝合金板材的疲劳性能研究

2022-08-13尹洪涛王建军张亚军郑国华查小琴

世界有色金属 2022年9期

铝合金比强度和比刚度高，易于成形，广泛应用于航空、航天、交通运输等领域，成为地铁、列车、轻轨、高速列车等实现轻量化、现代化的有效途径。5083铝合金具有较高的强度，较高的塑性、抗腐蚀性及易加工性，被广泛应用于高速列车的外板、车顶板、波纹板、车体、补强板、侧墙板和端墙板、车体构件、底架构件、骨架等结构

。高速列车在运行过程中，结构将要承受由于振动引起的循环载荷作用且破坏形式主要是疲劳断裂。因此，研究高速列车用5083铝合金的疲劳性能，具有重要意义。

研究材料的疲劳性能，最常用的就是研究其疲劳-寿命曲线，即材料的S-N曲线，它是疲劳设计的基础。根据材料的S-N曲线，可以知道材料在不同应力作用时的疲劳寿命，也可以知道在某一疲劳寿命下材料所能承受的最大应力。文献[1]和文献[2]分别研究了焊缝余高和抛丸处理对5083铝合金焊接接头疲劳性能的影响，文献[3]研究了厚度对5083铝合金薄板超高周弯曲疲劳性能的影响，以上文献中虽然提到了有关5083铝合金及其焊接接头的S-N曲线，但试验数据明显不足，也未提到5083铝合金沿轧制及垂直轧制方向上疲劳性能的差异。

本文采用高频疲劳试验机加载，以板状试样形式，通过成组试验方法，研究轨道车辆用5083铝合金板材沿轧制L方向和垂直轧制T方向的S-N数据分布规律，进而拟合成S-N曲线，以期为5083铝合金在轨道车辆上不同部位的应用提供参考和依据。

1 试验材料和方法

试验材料为板状5083铝合金，板厚为4mm，处理工艺为冷轧，材料状态为O态。分别沿轧制方向（L向）和垂直轧制方向（T向）取样，试样图见图5。

试验依据GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，在GPS 200型高频疲劳试验机上进行。试验频率为（100～110）Hz，应力比为-1，波形为正弦波，在室温大气环境中进行。S-N曲线采用成组法进行，即分3～5个应力级别，每个应力水平下完成3～5件试样。指定寿命为107次。对获得的S-N数据，采用Basquin公式进行拟合，同一应力水平下的疲劳寿命采用对数均值法处理。考虑到文献[5]中提到的有关采用Basquin公式拟合时由于处理方法不一可能引入的误差，采用先以疲劳寿命为函数，以最大应力为自变量进行曲线拟合，再转换其自变量和函数的处理方法，得到试验材料的S-N曲线方程，具体处理过程参考文献[5]。

2 试验结果与分析

在中短寿命区（疲劳寿命小于等于5×10

时），沿轧制方向具有较高的疲劳抗力；在较长寿命区（疲劳寿命大于等于5×10

时），垂直轧制方向具有较高的疲劳抗力。根据这个研究结果，可以用于指导5083铝合金在轨道车辆车厢不同部位的应用。

5083铝合金板材沿轧制L方向和垂直轧制T方向的基于Basquin公式的S-N方程为：

从本文中5083铝合金两个方向上的S-N曲线可见，二者存在交叉现象。表明5083铝合金沿轧制方向和垂直轧制方向具有不同的疲劳性能，两个方向上材料抗疲劳能力是不一样的。

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材料的S-N曲线是名义应力设计法（也称为常规疲劳设计法）的主要设计依据。

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从图8中可见，随着疲劳寿命的延长，5083铝合金两个方向上所能承受的最大应力均呈下降趋势，但沿L方向上最大应力下降的速率较快。在有效疲劳寿命区内，两条曲线存在交叉现象，曲线交叉点对应的疲劳寿命约为5×10

次，对应的最大应力约为133.5MPa。当外加最大应力大于133.5MPa时，沿L方向的疲劳寿命较长；当外加应力等于133.5MPa时，沿L方向和沿T方向具有相当的疲劳寿命；当外加应力大于133.5MPa时，沿T方向的疲劳寿命较长。

3 讨论

现在有很多所谓的中小学生必读书目。我觉得这其实不太靠谱，因为每个孩子的阅读兴趣不一样，必读书单里往往会出现一些“大部头”，孩子读起来可能味同嚼蜡，从而丧失阅读兴趣。我觉得从来就不应该有什么“必读书”，孩子们有自己选择读什么书的权利。有的孩子偏好童话，有的喜欢冒险故事，有的爱看科幻小说，有的喜欢漫画……就好像吃饭，总是萝卜青菜各有所爱的。

通常完整的S-N曲线包括其前半部分和后半部分。其前半部分通常用成组法完成，后半部分通常用升降法完成。根据使用寿命的长短，S-N曲线的前半部分可用于有限寿命设计（又称安全寿命设计），后半部分可用于无限寿命设计。一般提到的S-N曲线，如没有着重说明，一般指的是其前半部分。本文中，只研究5083铝合金S-N曲线的前半部分。

从图6和图7可见，对于5083铝合金而言，沿T方向和沿L方向，在同一应力水平下，数据有一定的分散性。疲劳试验数据的分散性通常来自材料本身的组织不均匀性、取样位置的差异，以及不同的加载方式等多种因素。进行疲劳试验时，原则上讲，由于疲劳数据不可避免的分散性，同一应力水平下，需要做一定数量的试样，以尽可能能反映出各种因素对材料疲劳试验数据分散性的影响。

按照以上试验方法，获得了5083铝合金板材沿轧制L方向和垂直轧制T方向的S-N数据。对于S-N试验数据，采用Basquin公式进行拟合，见图6和图7。

为了比较5083铝合金板材沿轧制L方向和垂直轧制T方向S-N曲线的差异，将图6和图7中的S-N曲线放在同一坐标下进行比较，见图8。

矿区内构造比较复杂，褶皱构造主要分布于古元古界金水口岩群的老变质地层中，断裂构造以NW向韧性、脆性断裂为主，对石墨矿的迁移富集有一定的改造作用。矿区内无岩浆岩出露。