7050合金疲劳强度的测试[摘要]作为材料疲劳抗力指标的疲劳强度是材料的基本力学性能指标，对疲劳强度与材料及工艺间的关系进行研究，有利于指导材料的疲劳设计。

本文采用常规的疲劳试验方法和升降法对7050T7451铝合金的疲劳强度进行的测试，结果分别为147MPa和142MPa，并介绍了实验结果的处理方法。

[关键字] 疲劳强度载荷S-N曲线前言随着对航空航天结构件完整性、可靠性和耐久性要求的日益提高，对所用材料的高周疲劳性能提出了更高的性能要求。

7×××系合金是以Zn为主要合金元素的铝合金，属于热处理可强化铝合金。

7050铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu合金，是在Al-Zn-Mg合金的基础上通过添加Cu发展起来的，其强度高，被称为超高强铝合金。

该合金的主要用途是：飞机结构件用中厚板、挤压件、自由锻件与模锻件，这就要求该合金的抗剥落腐蚀、应力腐蚀开裂能力、断裂韧性与疲劳性能都高，此外还可用作飞机机身框架、机翼蒙皮、舱壁、桁条、加强筋、肋、托架、起落架支承部件、座椅导轨、铆钉等。

目前，7050合金已经广泛应用于航空和航天领域，并成为这个领域中重要的结构材料之一。

在机械设计中，疲劳应力判据和断裂疲劳判据是疲劳设计的基本依据，其中作为疲劳抗力指标的疲劳强度是材料的基本力学性能指标，认识、改进和应用这种性能，对选用材料、制定工艺及改进设计均有重要意义。

疲劳强度定义为在指定疲劳寿命下，材料能够承受的上限循环应力。

根据要求，指定的疲劳寿命可为无限周次也可为有限周次。

本文采用常规的疲劳试验方法和升降法对7050T7451合金的疲劳强度进行了测试，并绘制出合金的S-N曲线。

1 试验1.1试验材料试验采用的原材料是由压延厂提供的7050铝合金，通过热处理使该合金的热处理状态为T7451，其化学成分如表1所示。

其中，Zn、Mg是主要的强化元素，它们共同存在时会形成η（2MgZn ）和T （322Zn Mg Al ）相。

表1 7050合金的主要化学成分1.2 7050T7451合金抗拉强度的测试将采集到的7050T7451合金按照GB/T16865机加工成圆形截面标准试样，工作部分的直径为12.5mm ，头部直径为16mm ，取样方向为横向，取样数量为两个。

将制备好的试样按照GB/T228《金属材料 室温拉伸试验方法》在日本岛津公司生产的型号为AG —IS100KN 的电子拉伸试验机上进行力学性能检测，试验过程中参数的设置符合试验标准的要求。

试验结果如表2所示。

表2 7050力学性能试验结果从上表可以得出，该7050T7451合金的抗拉强度为b σ＝540MPa 。

1.3 7050T7451合金疲劳强度的测试 1.3.1 试验方案（1）常规疲劳试验方法采用常规疲劳试验方法测定7050T7451合金的疲劳强度。

该试验方法是在每个应力水平下试验一个试样，所以试验费用少，周期短，易于实现。

试验时，一般从最高应力水平开始，逐级降低应力水平，记录在各级应力水平下试样的疲劳寿命（断裂时的应力循环次数），其中选择合适的应力降低量是试验中的一个重要程序。

关于加载的选择，第一根试样选择b σ32，测得断裂周次为1N ，然后依次减去0.2b σ，测得相应的断裂周次。

对于7050T7451合金来说，其疲劳曲线当应力循环次数超过710时仍未趋于水平，其破坏循环数为710所对应的最大应力称为“条件疲劳极限”，即指定循环次数下的疲劳强度。

测定7050T7451合金的疲劳强度按下述方法进行。

试样超过预订循环数710而未发生破坏，称为“越出”。

在应力水平由高到低的试验中，假定第6根试样在应力6σ作用下，未及710次循环就发生了破坏，而依次取的第7根试样在应力7σ作用下越出，并且两个应力的差（6σ-7σ）不超过7σ的5％，则6σ和7σ的平均值就是7050T7451合金的疲劳强度：)(2176σσσ+=，如果差数（6σ-7σ）大于7σ的5％，那么还需要取第8根试样进行试验，使8σ等于6σ和7σ的平均值，即)(21768σσσ+=。

试验后可能有两种情况： 第一种情况：若第8根试样在8σ作用下仍然越出，并且差数（6σ-8σ）小于8σ的5％，则可以认为疲劳极限或条件疲劳极限介于6σ和8σ之间。

第二种情况：若第8根试样在8σ作用下未达到710次循环就发生破坏，并且差数（8σ-7σ）小于7σ的5％，则可以认为疲劳极限或条件疲劳极限介于8σ与7σ之间。

（2）升降法上面讲述的常规疲劳试验方法，是测定疲劳强度的简便方法。

即在邻近的两个应力水平下，给出相反的试验结果（一个破坏，一个越出），则这两个应力水平的平均值就是疲劳强度。

但由于试验是在低应力水平下进行的，试验结果的离散性较大，因此不能给出疲劳强度的精确值。

因此需要在上述方法的基础上进行改进。

升降法，就是在常规疲劳试验方法测定的疲劳强度的基础上，通过单点法的多次重复试验，从而得出较准确的疲劳强度。

升降法的原理如图1所示，试验从高于疲劳强度的应力水平开始，然后逐级降低。

在应力水平0σ下试验第1根试样，该试样在达到指定寿命N=710次循环之前发生了破坏，于是，第二根试样就在低一级的应力水平1σ下进行试验，一直试到第4根试样时，因该试样在应力水平3σ下经710次循环没有破坏（越出），故依次试验第5根试样就在高一级的应力水平2σ下进行。

按照这个规定，凡前一根试验不到710次循环就破坏，则随后的一次试验就要在低一级的应力水平下进行；凡前一根试样经710次循环没有破坏（越出），则随后的一次试验要在高一级的应力水平下进行，直到完成全部试验为止。

各级应力水平之差σ∆叫做“应力增量”。

在整个试验过程中，应力增量保持不变。

σ0σ1 σ2 σ3σ4图1 升降法 指定寿命N=710在处理试验结果时，将出现第一对相反结果以前的数据舍弃。

如图中的点3和4是出现的第一对相反结果，数据点1和2均舍弃，而第一次出现相反结果的数据点3和4对应的应力平均值2/)(32σσ+，就是常规疲劳试验法得出的疲疲劳强度，同样，第二次出现相反结果的数据点5和6对应的应力平均值，也相当于常规疲劳试验法得出的疲劳强度。

如此，把所有邻近出现相反结果的数据点都配成对子：7和8、10和11、12和13、15和16。

最后对于不能直接配对的数据点9和14，也可以凑成一对。

总计共有7个对子，由这7对应力求得的7个疲劳强度取平均值，即可作为疲劳强度的精确值σ：⎪⎭⎫⎝⎛+++++++++++++=22222227132324343213232σσσσσσσσσσσσσσσ化简后得：()4321265141σσσσσ+++=由上式可以看出，括号内各级应力前的系数，恰好代表在各级应力水平下试验进行的次数，如图1所示，在应力水平1σ下只进行过1次试验（数据点2被舍弃），在应力水平2σ下进行过5次试验，......。

如以i V 表示在第i 级应力水平iσ下进行的试验次数，n 表示有效试验总次数，m 表示升降应力水平的级数，则疲劳强度σ的一般表达式可写为：()∑==+++=mi i i m m V n V V V n 122111...1σσσσσ上述公式求出结果的存活率为50％。

如果需要可以对试验结果用数理统计的方法进行数据处理，求出任意存活率下的疲劳极限。

试验最好在4级应力水平下进行。

当完成了第6或第7根试样的试验后，就可以按照上式开始计算σ值，并陆续计算出第8、9、10、......根试样试验后的疲劳强度值。

当这些疲劳强度数值的变化越来越小，趋于稳定时，试验即可停止。

将完成最后一根试样的试验所计算出的疲劳强度值，作为欲求的疲劳强度，大约需要15根试样左右。

采用升降法测定疲劳强度的关键，在于应力增量σ∆的选取。

一般来说，应力增量最好选择得使试验在4级应力水平下进行。

当已知由常规疲劳试验法测定的疲劳强度时，可取5％以内的疲劳强度作为应力增量σ∆。

1.3.2 疲劳试样的制备疲劳试样的制备对所要测定的疲劳强度有直接影响。

从切取毛坯到准备进行试验，要经过机械加工、尺寸测量、表面检验及防护等阶段。

机械加工是为了获得所需要的尺寸和表面光洁度；表面检验主要是检验表面光洁度是否符合要求；表面防护是为了防止机械损伤和环境腐蚀。

切取毛坯时，要考虑取材的部位和方向，并按一定位置顺序编号，以便加工时记录出现的情况和试验时进行随机取样。

应留有足够的加工余量。

不能用边角料代替原材料加工试样。

在加工过程中为了避免材料过热和加工硬化，并使表面残余应力减到最小，以及保证试样表面状态尽可能一致，采用如下加工工艺：根据标准HB5287-96《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，采用如图2所示的直径为7mm的光滑标准试样。

在车削疲劳试样时，要注意保证同心度和避免工作部分横截面的偏心。

为了防止试样表层材料硬化，要用锐利的刀具和较高的转速（5000r/min）。

切削深度应限制在1.2mm以内，并应逐步减少，直至最后的切削深度不大于0.05m，一直车至直径比规定尺寸大0.025mm时为止。

试样经车削粗加工、精加工后需要进行抛光，沿近似于试样轴线的方向抛光，最后使工作部分的表面粗糙度达到0.16~0.32μm，试样表面不应有任何划伤或损伤，工作部分与过渡圆环的连接应光滑。

对抛光试样的工作部分进行尺寸测量时，试样工作部分直径的测量精度为0.01mm。

K＝1）图2 直径7mm的光滑试样（t1.3.3试验条件（1）载荷试验所采用的仪器是型号为HFP 5100的高频疲劳试验机。

需满足下列要求：a、静载荷显示值精度：载荷显示值误差不大于±1％，显示值变动度不大于1％。

b、在连续试验10小时内，动载荷显示值波动度：平均载荷显示值波动度不大于使用载荷满量程的±1％，振幅显示值波动度不大于使用载荷满量程的±2％。

c、载荷需轴向施加：上、下夹具应牢固地夹紧试样端部，夹具的中心线应尽量与试验机的施力轴线重合，确保沿试样轴线无间隙地准确传递循环载荷。

（2）频率应力循环频率的选择取决于试验机的类型、试样的刚度和试验要求，所选取的频率不得引起试样试验部分发热，一般在10～200Hz范围内进行试验。

对于同一批试样，应在相同的频率下进行试验，频率相差过大，可能对试验结果有影响。

1.3.4 试验程序（1）安装试样安装试样时必须仔细操作，使试样与疲劳试验机上、下夹具保持同轴，尽量减少试样承受规定轴向应力以外的其它应力。

（2）参数设置在电脑界面上设置实验参数，如动载荷、频率、循环次数、试样工作部分的直径和截面积等。

（3）施加载荷所施加的动载荷为对称循环应力，波形为正弦波。

在整个试验过程中，动载荷显示值波动度要符合试验条件的要求。

（4）终止试验试样在规定循环应力下，通常一直连续试验至试样失效或规定循环次数。