趙曼曼

摘要：為更好的觀察特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金在應(yīng)力條件下的裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r，將通過三維重建方法對2A12鋁合金的疲勞壽命以及裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行檢測，在檢測過程中引進(jìn)CT掃描技術(shù)，這樣可更加清晰地觀察裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r為后續(xù)研究提供有效技術(shù)支持。針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金在疲勞狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋對其進(jìn)行修復(fù)與愈合，并通過攪拌摩擦裂紋修復(fù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金疲勞裂紋的修復(fù)環(huán)境營造良好氛圍。

關(guān)鍵詞：2A12鋁合金;疲勞裂紋擴(kuò)展;攪拌摩擦裂紋修復(fù)技術(shù);三維重建

中圖分類號：TQ132.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

隨著我國科技的高速發(fā)展，航空航天等領(lǐng)域中構(gòu)件易形成疲勞狀態(tài)已經(jīng)成為不可忽略因素，由于構(gòu)件長時(shí)間處于高負(fù)荷作業(yè)之中，大部分零件主要由2A12鋁合金作為主要制作材料;因此，2A12鋁合金在疲勞狀態(tài)下形成的裂紋以及擴(kuò)展現(xiàn)象成為眾多學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究對象。本文將針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金在不同應(yīng)力的作用下，研究疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象對于疲勞壽命的影響。

1 2A12鋁合金疲勞性能與裂紋擴(kuò)展現(xiàn)狀分析

1.12A12鋁合金的性能分析及應(yīng)用領(lǐng)域

2A12鋁合金在成分構(gòu)成方面屬于高強(qiáng)度鋁合金，相對于其他類型的合金材料，2A12鋁合金在性能方面具有較大優(yōu)勢，可作為飛機(jī)整體零件的主要制作原材料。隨著科技的不斷發(fā)展，2A12鋁合金被應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、船舶等工業(yè)制造領(lǐng)域，這些領(lǐng)域均屬于高負(fù)荷作業(yè)，各部分構(gòu)件長時(shí)間遭受外力沖擊以及環(huán)境因素造成的腐蝕等因素的影響，在其表面呈現(xiàn)的各種各樣裂紋提示維修人員該零件應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，任其發(fā)展將會造成一定程度的破壞，為保證各領(lǐng)域制作過程中可將2A12鋁合金作為主要原材料放心應(yīng)用，且可整體提高2A12鋁合金使用的安全性[1]。

1.22A12鋁合金疲勞性能的研究現(xiàn)狀

長期處于高負(fù)荷環(huán)境下工作的構(gòu)件易產(chǎn)生不同程度的裂紋，該裂紋若不及時(shí)處理，對于器材將造成一定的損害，因此，應(yīng)針對該裂紋進(jìn)行修復(fù)與愈合工作。傳統(tǒng)裂紋修復(fù)方法主要通過陶瓷、混凝土以及玻璃等脆性材料針對器材進(jìn)行修復(fù)，通過研究表現(xiàn)，一些復(fù)合材料與聚合物可實(shí)現(xiàn)裂紋自身的修復(fù)能力;但該程度的修復(fù)僅限于微觀程度的缺陷。通過有關(guān)學(xué)者不斷對裂紋的產(chǎn)生與修復(fù)進(jìn)行研究表明，針對處于疲勞狀態(tài)下的裂紋施加高密度電流可促使裂紋出現(xiàn)閉合現(xiàn)象;但在高密度電流不斷作用下，裂紋重新出現(xiàn)，且與修復(fù)作用前的裂紋基本一致。隨著該觀點(diǎn)的提出，引起眾多學(xué)者的討論，并提出新的觀點(diǎn)。其中，國外專家針對電火花作用下的裂紋進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在其表面施加電子束輻照可將產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行修復(fù);但對于器材將造成一定程度的腐蝕。綜上所述，為探討出針對高負(fù)荷工作下產(chǎn)生的裂紋如何修復(fù)更加有效，且隨著攪拌摩擦焊工藝的不斷發(fā)展，其成為裂紋研究者重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一[2]。

2特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金疲勞性能與裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

2.1疲勞性能與裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)材料

針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金疲勞狀態(tài)下產(chǎn)生

的裂紋進(jìn)行修復(fù)，本文采用攪拌摩擦裂紋修復(fù)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。在本次修復(fù)實(shí)驗(yàn)中需要準(zhǔn)備一塊厚度為4 mm的2A12-T4鋁合金，并將其軋制呈板狀材料，該材料的尺寸設(shè)定為430 mm×320 mm×4 mm;采用線切割技術(shù)在板材的中心線處預(yù)制寬為0.5 mm、深為1 mm的長直表面裂紋，采用寬幅為FSW-3LM-4012的小型攪拌摩擦焊系統(tǒng)。將設(shè)備的進(jìn)給速度110 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速700 r/min，設(shè)備的下壓量應(yīng)調(diào)至0.2 mm[3]。

2.2疲勞性能與裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)方法

通過攪拌摩擦焊系統(tǒng)對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金疲勞狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行修復(fù)與愈合后，應(yīng)將其中一半實(shí)驗(yàn)樣品通過熱處理的方式觀察結(jié)果，進(jìn)行對比試驗(yàn)。熱處理方法為：將實(shí)驗(yàn)樣品置于360 ℃的溫度下進(jìn)行退火處理，處理完畢后將樣品進(jìn)行60 min的保溫處理后回爐冷卻;處理完畢后將其置于495 ℃溫度下進(jìn)行固溶處理，時(shí)間為35 min，該過程中應(yīng)增加水淬步驟，最后將其置于190 ℃溫度下開始人工時(shí)效，時(shí)間為600 min，該方法稱之為空冷。修復(fù)完成后將針對該實(shí)驗(yàn)樣品采用電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)開展疲勞試驗(yàn)的相關(guān)操作，通過應(yīng)力水平以及應(yīng)力比的數(shù)據(jù)信息最終獲得實(shí)驗(yàn)樣品的疲勞壽命，并采用電子顯微鏡觀察疲勞裂紋的斷口樣貌以及特征[4]。

32A12鋁合金疲勞性能與裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1修復(fù)件疲勞壽命對比

為保證修復(fù)后實(shí)驗(yàn)樣品的使用壽命，將針對修復(fù)作用下實(shí)驗(yàn)樣品的疲勞壽命進(jìn)行對比分析，疲勞壽命對比如圖1所示。

對樣品采取180 MPa的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該條件為裂紋樣品能承受的最大應(yīng)力。處于180 MPa的應(yīng)力條件下針對2A12鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦裂紋修復(fù)，從圖1中可觀察到修復(fù)件的疲勞壽命為632 713 cycle，經(jīng)過一定溫度下的熱處理后，修復(fù)件的疲勞壽命明顯提高，上升至853 356 cycle，較之前相比整體壽命延長34.79%;母材整體疲勞壽命為1710 568 cycle，修復(fù)試樣以及修復(fù)后熱處理試樣分別占母材壽命的36.98%、49.89%;產(chǎn)生裂紋的實(shí)驗(yàn)樣品疲勞壽命僅為5147 cycle。綜上所述，攪拌摩擦裂紋修復(fù)技術(shù)的引用有利于特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金產(chǎn)生的裂紋疲勞壽命得到顯著延長[5]。

3.2修復(fù)件裂紋擴(kuò)展速率分析

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)過熱處理后的修復(fù)件疲勞壽命更長。因此，本文將針對不同環(huán)境下的樣品裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行對比分析，母材裂紋擴(kuò)展速率明顯低于修復(fù)件以及經(jīng)過熱處理后修復(fù)件的裂紋擴(kuò)展速率，裂紋擴(kuò)展速率對比結(jié)果，具體如圖2所示[6]。

從圖2中可知，速率分析主要在嬌小的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度下，將修復(fù)試樣處于循環(huán)載荷下進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK=10 MPa·m時(shí)，經(jīng)過熱處理后的裂紋修復(fù)件擴(kuò)展速率較慢，該狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)樣品最接近于母材的裂紋擴(kuò)展速率;當(dāng)ΔK<10 MPa·m，或ΔK>15 MPa·m時(shí)，修復(fù)件與熱處理后的修復(fù)件速率基本一致。結(jié)果表明，熱處理方法在一定程度上可以延長疲勞壽命，這與上述實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果達(dá)成一致。

為將速率結(jié)果更加明顯的體現(xiàn)出來，將針對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸一處理，最終得到歸一化的裂紋擴(kuò)展速率對比結(jié)果，具體如圖3所示。

從圖3中可更好地觀察到修復(fù)件與經(jīng)過熱處理的修復(fù)件之間的區(qū)別，在實(shí)驗(yàn)之初，二者的裂紋擴(kuò)展速率基本一致，在ΔK=10 MPa·m時(shí)，二者之間差別最大;當(dāng)ΔK>10 MPa·m時(shí)，可以明顯觀察到經(jīng)過熱處理的修復(fù)件擴(kuò)展速率處于逐漸升高狀態(tài);當(dāng)ΔK=17 MPa·m時(shí)，二者擴(kuò)展速率重回一致狀態(tài);當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度不斷增大至20 MPa·m時(shí)，修復(fù)件開始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度不斷增大至24 MPa·m時(shí)，經(jīng)過熱處理的修復(fù)件開始出現(xiàn)斷裂。

3.3疲勞裂紋擴(kuò)展試樣斷口分析

通過上述試驗(yàn)分析可知，決定疲勞壽命最主要的因素為裂紋萌生以及穩(wěn)定擴(kuò)展的時(shí)間;而出現(xiàn)疲勞斷口現(xiàn)象最主要的因素是由于裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展所致。經(jīng)過一系列觀察與分析可知，裂紋現(xiàn)象最開始主要發(fā)生于器材表面，通過對修復(fù)件、母材以及經(jīng)過熱處理的修復(fù)件進(jìn)行對比分析可知，裂紋的產(chǎn)生具有多個(gè)源頭，經(jīng)過攪拌摩擦裂紋修復(fù)技術(shù)作用下的實(shí)驗(yàn)樣品在晶粒方面具有較大差異[7]。

4基于CT掃描的2A12鋁合金的疲勞裂紋三維重建

4.12A12鋁合金的疲勞裂紋圖像處理

為更加直觀的觀察疲勞狀態(tài)下的特殊運(yùn)動(dòng)器材的裂紋情況，將采用三維工業(yè)計(jì)算機(jī)針對裂紋進(jìn)行CT掃描，通過CT掃描最終以圖像的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，用這種方式進(jìn)行處理具有一定的優(yōu)勢。掃描后形成的圖像信息將以cb源文件的形式上傳至三維工業(yè)計(jì)算機(jī)中，該圖像需要經(jīng)過特殊的軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終形成普通文件供實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行觀察，將形成的圖像經(jīng)過對比度以及中值濾波作用下轉(zhuǎn)化為二值化圖像，可觀察到非高斯噪聲的存在，通過離群濾噪即可實(shí)現(xiàn)深化處理。

4.22A12鋁合金的疲勞裂紋三維重建

為更好的觀察特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金在應(yīng)力條件下的裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r，將通過三維重建方法對2A12鋁合金的疲勞壽命以及裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r進(jìn)行檢測，CT掃描技術(shù)的引進(jìn)為更加清晰的觀察裂紋擴(kuò)展?fàn)顩r提供有效技術(shù)手段。而三維重建技術(shù)又將自身分為面繪制以及體繪制，其中面繪制方法主要通過幾何單元拼接擬合物體表面的方式對物體的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)工作描述，又稱之為表面重建，通過針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行表面重建的方法有利于快速成像，該方法僅針對比較明確的物體表面進(jìn)行相關(guān)工作，具有一定的呈現(xiàn)效果，且物體表面較為光滑;而體繪制方法的使用有利于充分避免在針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行表面重建過程中形成偽像痕跡，該方法的缺陷是在重建過程中需要進(jìn)行大量運(yùn)算。針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行表面重建時(shí)重點(diǎn)觀察實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)部的三維信息，因此本文針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行表面重建時(shí)選用體繪制方法，疲勞裂紋三維重建程序流程圖如圖4所示[8]。

經(jīng)過三維掃描成像后，將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中實(shí)現(xiàn)層疊技術(shù)，在該過程中針對等值面進(jìn)行提取與繪制時(shí)將利用Isosurface函數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。而

針對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行三維重建時(shí)的設(shè)備將選擇雙核2.10 GHz計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像提取，該雙核2.10 GHz計(jì)算機(jī)的內(nèi)存服務(wù)器為32 GB，通過該計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像掃描僅需要21.4 s，通過上述條件下形成的三維圖像與裂痕實(shí)際圖像較吻合，結(jié)果表明通過三維重建的方法對特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金的疲勞裂紋進(jìn)行重建，效果良好。

5結(jié)語

特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金在應(yīng)力的作用下，易出現(xiàn)裂紋結(jié)構(gòu)，隨著疲勞循環(huán)數(shù)的不斷增加，特殊運(yùn)動(dòng)器材2A12鋁合金表面將形成疲勞裂紋。而2A12鋁合金材料中具有豐富的第2相粒子，通過第2相粒子與基體脫粘將形成裂紋的主要形成源頭，并且裂紋在擴(kuò)展過程中，若滑移系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的滑動(dòng)，2A12鋁合金材料表面將呈現(xiàn)較為明顯的鋸齒狀晶體學(xué)裂紋形貌。通過上述實(shí)驗(yàn)可知，在應(yīng)力水平一定的情況下，裂紋的成核位置和試樣表面距離與應(yīng)力比成正比關(guān)系遞進(jìn);但應(yīng)力比一定時(shí)，二者呈反比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞壽命隨著斷面裂紋的變化而變化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]亓新新，張婷，時(shí)新紅，等.比例與非比例加載下30CrMnSiA鋼多軸高周疲勞失效分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2019（6）：1 237-1 245.

[2]陳亞軍，王先超，王付勝，等.不同應(yīng)力幅比加載下2A12鋁合金的多軸疲勞性能[J].材料工程，2017（9）：136-142.

[3]陳亞軍，王先超，王付勝，等.2A12鋁合金的多軸加載疲勞行為[J].材料工程，2017（8）：68-75.

[4]陳亞軍，王先超，王付勝，等.相位角加載條件下2A12鋁合金多軸疲勞失效行為[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017（14）：147-152.

[5]陳亞軍，劉波，劉辰辰，等.2A12航空鋁合金多軸疲勞試驗(yàn)及應(yīng)力準(zhǔn)則壽命預(yù)測模型研究[J].中國機(jī)械工程，2017（9）：1 092-1 096.

[6]張曉盼，趙作福，霍寶陽，等.熱處理對2A12鋁合金組織性能影響的研究進(jìn)展[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（2）：121-124.

[7]曹歆昕，李吉丹，張晶，等.2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝研究[J].電鍍與精飾，2017（9）：38-41.

[8]張娟娟，董繼峰，候強(qiáng)勝，等.大規(guī)格2A12鋁合金圓錠疏松缺陷產(chǎn)生的原因及控制措施[J].有色冶金節(jié)能，2017（4）：16-19.