航空铝合金材料低温疲劳研究进展

材料工程Materials Engineering 航空铝合金材料低温疲劳研究进展刘牧东（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）[摘要]铝合金材料由于具有强度高和易加工等优势，被广泛应用于航空工程领域。

低温是航空铝合金材料使用中不可避免的环境因素，低温下航空铝合金材料的疲劳行为也受到国内外学者和工程界的高度关注。

综述了近年来航空铝合金材料的低温疲劳试验研究，分析了低温疲劳失效机理，归纳了航空铝合金材料的低温疲劳模型表征和寿命评估方法，并展望了需要在试验、失效机理、模型表征和寿命预测方面进一步研究的问题，为航空铝合金材料的工程设计和应用提供帮助。

关键词：铝合金；低温；疲劳；失效机理；模型表征；寿命预测DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.15.093刘牧东博士，工程师，研究方向为直升机结构疲劳和损伤容限设计。

刚度；20世纪六七十年代提高了铝合金材料的耐久性和损伤容限性能，开发出针对7×××系铝合金材料T73和T76热处理技术，研制出7050铝合金材料和高纯铝合金材料；此后，铝合金材料的发展趋势是逐步减重，并提高其耐久性和损伤容限性能，开发出高强、高韧和高抗腐蚀的新型铝合金材料，大量采用整体加工成形技术，保证航空器结构的安全性[6–7]。

受加载状态、外部环境和内在缺陷等诸多因素影响，航空铝合金材料的疲劳行为常发生改变，作用机理也比较复杂，由于疲劳失效而引发的事故给人们的财产和生命安全造成了危害[8–10]，如图2所示。

为此，航空部门一直关注着航空器结构的抵抗疲劳设计，以防止疲劳失效事故的发生。

其中，对航空铝合金材料疲劳行为的分析在结构可靠性设计中占有重要地位，是确保航空器结构安全性铝合金材料由于具有优良的强度、刚度和断裂韧性，被广泛应用于航空工程领域。

在工程实际中，铝合金材料常会受到交变载荷的作用而产生损伤，出现疲劳裂纹，当损伤累积超过材料的容许限度时发生断裂失效，从而对结构的安全性造成威胁[1–3]。

低温是航空铝合金材料服役中不可避免的环境因素，数年来，国内外学者和工程界致力于研究航空铝合金材料的低温疲劳行为，为该类材料的低温疲劳试验开展、机理分析、模型表征和寿命预测奠定了基础。

航空铝合金材料的发展及其低温疲劳研究意义铝合金材料已被广泛应用于航空飞行器结构的制造，如机身的蒙皮、框架、壁板、油箱、发动机和起落架等部件，如图1所示[4–5]。

表1[5]给出了铝合金材料在大型客机上的应用比例，从20世纪30年代起，人们就尝试用铝合金材料制造飞机，20世纪50年代提高了铝合金材料的比强度和比SPECIAL TOPIC必不可少的内容[11–12]。

低温是航空铝合金材料服役中不可避免的环境因素。

例如，飞机真实工作环境为10000m 左右的高空，其所处的大气温度为–40ºC ；在某些高海拔地区，航空器的工作温度达–60ºC [13]。

在低温环境下，航空铝合金材料的宏观性能和微观结构常会发生改变，疲劳行为也有所不同[14–17]。

然而，人们目前仍未完全掌握低温环境下疲劳行为的物理本质和变化规律，受低温环境的影响，材料疲劳破坏过程短暂，发展迅速，并且没有明显征兆，难以进行准确的预测[18–19]。

因此，研究航空铝合金材料的低温疲劳行为，分析低温疲劳作用机理，建立低温疲劳性能表征模型并预测寿命，具有重要的理论意义和实际应用价值。

航空铝合金材料低温疲劳 试验和失效机理研究1 低温疲劳行为试验研究低温下航空铝合金材料的疲劳行为测试越来越受到重视，并进行了大量试验研究，通过试验了解低温对材料强度、疲劳极限、疲劳裂纹形成时间和疲劳寿命的影响。

表1 铝合金材料在大型客机上的应用比例图1 铝合金材料在波音747客机上的应用Fig.1 Application of aluminium alloy in Boeing747 aircraft图2 航空器结构疲劳失效事故Fig.2Aircraft structure fatigue failure accidents材料工程Materials Engineering1.1 拉伸和屈服强度张洪坤[20]在24ºC、–28ºC、–40ºC、–60ºC、–80ºC和–100ºC温度下对铝合金进行拉伸试验测试，研究铝合金材料的低温性能，发现环境温度由–28ºC降至–100ºC过程中，铝合金的拉伸强度和屈服强度提高，拉伸强度的提升幅度大于屈服强度。

马广辉等[21]在20~–60ºC环境温度下对ZL101铝合金进行拉伸试验。

结果表明，当温度下降至–60ºC时，ZL101铝合金的拉伸强度和屈服强度出现一定程度的提高。

Park等[22–23]在–163.15~19.85ºC温度环境下对5052、5086、6061和6082铝合金进行拉伸试验，研究5系和6系铝合金的低温力学性能。

试验结果表明，随着温度的降低，5系和6系铝合金的拉伸和屈服强度稳定提高，其中拉伸强度提高了14.9%~30.8%，屈服强度提高了15.6%~31.5%。

1.2 疲劳极限Carpinteri等[24]试验研究了温度对工程常用的7075铝合金疲劳极限的影响，当温度由20ºC降至–80ºC时，7075铝合金的屈服强度提高了9%，106循环对应的疲劳极限提高了12%。

叶序彬等[25]在常温、100ºC和–60ºC温度下进行7N01–T4铝合金的疲劳性能S–N曲线测试，研究不同温度对7N01–T4疲劳性能的影响，试验采用0.5应力比加载，加载频率110Hz。

结果表明，在相同疲劳寿命条件下，–60ºC下材料的疲劳极限最高，常温的疲劳极限次之，100ºC 的疲劳极限最低。

可见，低温环境对铝合金疲劳性能产生有益影响。

Oh 等[26]在–163ºC和–110ºC低温环境下对5083铝合金材料进行疲劳试验，发现在低温环境下铝合金展现出良好的疲劳性能，其疲劳极限提高。

1.3 疲劳裂纹形成时间Burns等[27]试验研究了23ºC和–50ºC温度下7075–T651和7050–T7451铝合金在恒幅加载下的疲劳裂纹形成时间。

试验结果表明：低温环境下，铝合金材料的平均疲劳裂纹形成时间延长，其中7050–T7451延长了2倍，7075–T651延长了5倍。

1.4 疲劳寿命Kuk等[28]在25ºC、–30ºC、–85ºC和–196ºC温度下对5083铝合金进行变幅加载疲劳试验。

试验表明，在25~–85ºC温度范围内，材料的疲劳寿命变化不大；当温度降至–196ºC时，铝合金的拉伸和屈服强度提高，疲劳寿命增加明显。

叶序彬等[13]在–40ºC低温和25ºC常温环境下对飞机常用铝合金材料LY12CZ和LC4CS进行疲劳试验。

试验结果表明，在–40ºC低温环境下，两种铝合金的疲劳性能S–N曲线均高于25ºC常温，说明两种材料的低温疲劳寿命高于常温。

其中，LY12CZ平均高出3倍，LC4CS平均高出4倍，低温有利于提高LY12CZ和LC4CS的疲劳性能。

任彦等[29]试验研究了LD5铝合金的低温疲劳行为。

试验结果表明，在温度降至–196.15ºC的过程中，包括LD5在内的大部分铝合金材料（除Al–Zn系的某些高强合金）屈服和拉伸强度有所提高，疲劳寿命延长。

可以看到，低温环境下航空铝合金材料的拉伸和屈服强度得到改善，疲劳极限提高，疲劳裂纹形成时间延长，低温对航空铝合金材料的疲劳寿命产生有益影响。

2 低温疲劳失效机理研究通常疲劳试样断口存有一些关于形貌特征的有效信息，如图3所示的疲劳源、台阶、疲劳条带和韧窝等。

在图3中，疲劳源出现在断口表面下边缘处，可以指示材料疲劳裂纹的萌生；台阶特征多呈现阶梯状，主要由（a）疲劳源（b）台阶（c）疲劳条带（d）韧窝图3 疲劳断口形貌示例Fig.3 Examples of fatigue fracture morphology疲劳源台阶韧窝SPECIAL TOPIC于不同层疲劳裂纹间挤压形成；疲劳条带是因裂纹尖端塑性区内位错滑移变形所致，其分布形式能够指示疲劳裂纹演变的方向和路径；韧窝多存在于断口表面瞬断区，表示此时裂纹扩展迅速，即将断裂失效。

在试验的基础上，常采用扫描（SEM）和透射电镜（TEM）技术分析航空铝合金断口表面微观结构，探寻低温环境引起的微观晶粒粗糙度、位错、滑移、疲劳裂纹形成和微裂纹演变等机理的变化。

2.1 晶粒粗糙度Yuri等[30]对5083和5183铝合金断口的金相分析显示，液氮冷却环境能够抑制铝合金晶粒的生长和动态恢复，断口表面的晶粒破碎现象明显，材料的拉伸强度提高，抵抗疲劳能力增强。

Nakanishi等[31]研究发现低温环境下，铝合金断口表面的剪切带比例下降，循环软化现象减弱，而材料的晶粒粗糙程度提高。

这样的观测结果表明，剪切带比例和晶粒粗糙度共同影响铝合金材料的疲劳抗性和疲劳寿命长短。

李矿等[32]在–70ºC、–54ºC和25ºC下开展试验，对比常温和低温下铝合金断口形貌的差异，发现低温下断口表面呈现出多个小刻面的晶体形貌，晶粒粗糙且裂纹曲折，而常温下的断口表面则较为平整。

2.2 位错刘瑛等[33]在19.85ºC常温和–196.15ºC液氮温度下对2519铝合金进行拉伸试验，并对典型断口进行分析，发现随着温度降低，2519铝合金晶体内位错短程阻力急剧增大，导致屈服强度升高；低温环境下，断面分层和凹凸不平是2519铝合金疲劳性能改善的原因之一；此外，断口存在不规则分布的韧窝和撕裂岭，表明材料在断裂失效前经历了较大变形。

Nakanishi等[31]对铝合金断口进行金相分析，发现在低温环境下，微观位错壁结构更易形成，位错变形不易发生，这是促使铝合金低温疲劳性能提高的一项主要因素。

马广辉等[34]进行断口金相分析，发现在–80ºC低温环境下，Al–Si合金中位错容易在晶界处塞积，造成相邻晶粒间位错难以启动，从而提高材料强度。

2.3 滑移Sun等[35]借助透射电镜（TEM）研究铝合金材料的疲劳失效机理，发现随着温度的降低断口表面的滑移变形减弱，孪晶变形增强，且随着加载应力幅值的增大而变显著；孪晶变形改变了材料的结晶方向，提高了低温下铝合金的抵抗疲劳能力。

刘瑛等[33]对2519铝合金进行断口金相分析，发现在–196.15ºC低温环境下，材料的平面滑移受到抑制而硬化增强，变形均匀性好。