航空铝合金材料疲劳额定强度试验研究

航空飞行器在运转的过程中因持续受到周边环境施加的力的作用而造成不同程度的损伤，如果航空飞行器材质的疲劳强度低，在后续使用过程中将会出现安全使用期限短、可靠性低的问题[1]。 而航空飞行器制造材料中的铝合金的具体元素成分以及疲劳额定强度值大小对该类型材料投入量产、应用及可靠性都将有十分重大的关联。 因此， 对航空飞行器制造材料中的铝合金细节疲劳额定强度进行测试，对航空飞行器在运行过程中的安全及为行业后期进行更高规格的科学研究都具有重大意义和实用价值。

1 航空铝合金材料疲劳强度研究现状及需求

1.1 发展现状

现代航空飞行器在机身材料的选择上， 不仅需要考虑静强度和抗腐蚀性，为了提高经济节能和可靠性问题，还需重点考虑机身材料自身的重量及疲劳寿命。 如减轻机身重量可以减少燃油和碳排放，还可以提高航空飞行器的可操作性。

1.2 应用需求

通过对航空飞行器机身材料疲劳寿命的测算试验， 可以得出较为准确的预计航空飞行器机身材料的疲劳寿命，能够有效避免航空飞行器因超期服役而产生的事故。 此外， 通过对航空飞行器机身材料化学成分的测定及疲劳寿命的测算，还可以为后续材料升级试验提供参考。

2 DFR 试验试样制备

2.1 试样样式设计思路

本次试验采取缺口试样方案。由于缺口的问题，造成了试样存在几何不连续性，因此在试样缺口根部及其附近产生了很大的应力、应变集中，从而影响构件的弹性变形、塑性变形和断裂。在交变载荷作用下，由于应力集中的存在，疲劳裂纹往往首先起始于构件的缺口部位，并在以后的循环应力作用下裂纹逐渐扩展，最后导致整个构件的疲劳断裂。 另外，实际材料中的裂纹、夹杂物等缺陷的应力集中效应往往也可以通过缺口分析来解决，因此制备缺口试样是一种很好的选择。

2.2 试验件制备

第一，确定试样尺寸。 将2XXX-T3 系铝合金在板材上切取宽度为40mm、厚度为1.6mm 的试样，沿试样长度向平行于板材方向轧制，按照相关规范，预制缺口。 制备试样符合下面指标：a.敲击缺口试样尺寸b1 误差小于0.15mm， 试样尺寸h1 误差小于0.1mm；b.锉削缺口试样尺寸b2 误差小于0.35mm，试样尺寸h2 误差小于0.05mm。 分为8 组，共60 件试样。

为了确保试验的精度，定制专用双工位真空吸盘夹具（ 合金和表面处理系数试验件），为避免划伤工件，采用橡胶圈密封。依据设计要求采用非接触测量方式进行尺寸检查光洁度测量，确保试样各参数符合试验要求。采用放大倍率为20 倍的光学显微镜检查试样两面，50 倍率下检查试样边缘是否存在磕伤。

第二，成分（ 各元素质量分数）和力学性能检测。 得出试验材料2XXX-T3 系铝合金具体的组成成分，制定防腐蚀措施。 由于ICP 光谱法检测具有数据精准度高、 无需其他元素辅助，且2XXX-T3 系铝合金中各元素之间的波长具有较大的差异，其中、Cr 波长约为357.9 nm 等，故本次化学成分的检测方法采用了ICP 光谱法进行。加工后对试样进行清洗干燥处理，采用激光打标机在试样夹持端两头分包打标， 标记号为试样编号流水号，确保试样唯一性标示。 该材料的组成成分见表1。

表1 材料组成成分表（ 质量分数）Fe 0.3 ?Zn 0.14 ?Cu 4.55 ?Mn 0.66 ?Mg 1.45 ?Cr <0.10 ?Ti <0.10 ?Si 0.14 ?

第三，残余应力的表征。 为验证2XXX-T3 系铝合金加工进行工艺1- 工艺4 时， 其在不同工序下残余应力的情况， 使用X-RaY 衍射法对试样加工后的残余应力进行了测量。

研究认为金属构件中的残余应力能够起到延缓构件裂纹的萌生与扩展作用，进而对疲劳寿命有效提升。8 种试样在应用该种工艺进行应力验证时，表现均相对平稳。 采用工艺1 时，各试样的应力值普遍较大，最大可达-588MPa（ 负值为代表正应力方向），应力值最小为工艺4，最小值为-29MPa。

3 基于DFR 法的疲劳试验方法

3.1 DFR 法

DFR 法是波音公司通过对众多航空飞行器试验分析而发明的一种测试试验方法，因为其具有快速、可靠的特性，而被行业广泛应用，是当前较为科学、合理的工程实践方法。 而该方法进行疲劳测算的可靠性来源于能够准确计算紧固件的荷载分布，避免计算时发生的噪声影响， 进而求出准确应力。 计算中的DFR 值选取标准S-N 曲线法进行。

3.2 试验环境及参数设定

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0510/903.html