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.2

Aircraft structure fatigue failure accidents

材料工程Materials Engineering

1.1 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