E319全铸铝合金材料低周疲劳试验研究

王涪玉

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西省先导科技有限责任公司，山西太原 030000）

【摘要】针对汽车发动机零部件工作中的低周疲劳效应，影响发动机寿命的情况。对E319全铸铝合金材料在不同温度下进行拉伸试验和低周疲劳试验，分析试验结果，得到了疲劳寿命受到应变幅的影响，并且温度与材料的疲劳寿命呈反比趋势。通过试验得到材料寿命及寿命均值数据，并对数据进行拟合数值曲线，得到E319铸铝合金材料的过渡疲劳寿命，当实际寿命小于计算得到的过渡疲劳寿命时，材料的弹性变形损伤将大于塑形变形损伤。

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关键词铸铝合金；低周疲劳；疲劳寿命

0引言

车辆在启动、变速以及停车过程中，缸体和活塞作为其重要部件，会承受大应力及高温载荷下的双重作用。这种加速情况下的机械应力与多种瞬态热力学载荷相互叠加，导致缸体和活塞在局部区域产生塑性变形，而产生的低周疲劳效应会严重影响着发动机零部件的使用寿命。因此，为了降低零部件局部区域的塑性变形，提高其的使用寿命，就需要全面掌握零部件高温合金材料低周疲劳的产生机理。本文针对E319铸铝合金材料在温度100℃、250℃下的低周疲劳行为进行试验研究，结合温度范畴的变化对寿命的影响，对实验结果进行分析，得到应变幅对疲劳寿命[1]起到关键作用，并且温度与材料的疲劳寿命呈反比。通过试验得到材料寿命及寿命均值数据，并对数据进行拟合数值曲线，得到E319铸铝合金材料的过渡寿命，当实际寿命小于计算得到的过渡寿命时，材料的弹性变形损伤将大于塑形变形损伤。

试验采用美国研发制造的MTS809型液压伺服材料疲劳试验机，该试验机主要由TestStar高速控制系统、液压驱动装置和试验台等三部分组成，适用于高温下机械力学性能和热载荷性能的疲劳试验。该设备通过伺服闭环系统操控运行，装备在PC机上的微机监控系统感应温度与应力应变等因素，从而自动调节可变的性能参数。该设备精度高，试验功能齐全，高压高温的加热炉可对温度实现自动控制，对温度控制精度可达1℃以内，高温运行状态下，轴向应变产生的误差可以合理控制在0.001%以内。

1试验材料与试验方法

1.1试验材料

试验材料采用E319铸铝合金。表1为E319铸铝合金材料的的化学成分。

表1E319铸铝合金的成分（%）

Tab.1E319 aluminum alloy composition (%)

低周疲劳试验的试件工作长度为25毫米，试件形尺寸如图1所示。

图1等温低周疲劳试件

Fig.1Isothermal low cycle fatigue specimen

由于试件的长度较短，直接将试件装夹在液压夹头上，对试验机会有一定程度的破坏，为了能够顺利实现对试件加热，试验过程设计了一套专用夹具，实现了试件和试验机的装配。

1.2试验方法

试验过程通过应变的方式来控制交变载荷，波形为三角形，通过机械应变实现加载。机械特性与热载荷特性[2-4]的温度上限设为250摄氏度，下限设为100摄氏度。加热方式采用恒温均匀加热，加热设备MTS加热炉采具有良好均匀化加热性能，并通过新型氧化铝材料进行保温。试验通过PID控制单元对系统实现集中控制，加热后炉温可达到100℃-1400℃。

试验过程分两组进行：（1）等温拉伸试验、（2）等温低周疲劳试验。

（1）等温拉伸试验采用100摄氏度和250摄氏度两种温度下进行。将试件安装在设计好的夹具上，通过螺母加紧，装配到材料疲劳试验机上，启动加热炉对试件进行加热。借组高温测量设备对试件温度进行测量，当温度加热至设定温度时，隔热保温10分钟，取出试件对其进行拉伸试验。

（2）等温低周疲劳试验。同拉伸试验一样设置100摄氏度和250摄氏度两种温度下加热，隔热保温10分钟，取出试件对其进行加载试验。对低周疲劳试验根据拉伸试验初步对材料的塑形变形临界点进行确定，机械性能和热载荷特性的加载采用三角波[5-6]的方式进行，应力应变比为-1，试验频率为0.1赫兹。

2实验结果及分析

2.1试件单向拉伸试验结果

按照设定的试验条件，对E319铸铝合金材料进行不同温度下的拉伸试验，通过试验结果得到E319全铸铝合金材料的各项性能指标，从而为能够在恒温下对材料进行低周疲劳试验而获取可控的应变幅。拉伸试验所得到的实验数据如表2所示。

表2E319拉伸试验

Tab.2E319 tensile test

不同温度条件下拉伸试验得到的应力应变曲线如图2所示。

图2E319不同温度条件下的应力应变曲线

Fig.2E319 under the condition of different temperaturestress strain curve

分析试验数据和应力应变曲线发现，温度不同的两种情况对材料的弹性模量影响非常小。结合应力应变曲线，在材料的弹性阶段，两曲线基本重合。并且当温度升高时，材料的弹性模量呈反比趋势。

2.2等温低周疲劳试验结果

拉伸试验的应力应变曲线，材料在出现塑性变形时，应变幅处于0.2%左右，因而选取应变幅度分别为0.3%、0.4%、0.5%进行等温低周疲劳试验。

试验结果如表3所示：

表3等温低周疲劳实验结果

Tab.3Experimental results of isothermal low cycle fatigue

根据低周疲劳实验的结果分析可得：

1）温度为250℃时，应变幅为0.3%、0.4%、0.5%时材料的的平均寿命分别为Nf=1857、Nf=305、Nf=199。由此，应变幅在0.3%-0.5%范围内，材料的疲劳寿命呈下降趋势。应变幅对材料的疲劳寿命起到关键作用。2）当应变幅度为0.3%，温度分别为100℃和250℃时，平均寿命分别为Nf=2487、Nf=1857。平均寿命随着温度的升高而降低。由此，材料的疲劳寿命与温度呈反比例。结合试验数据，拟合材料塑性应变与寿命行为的曲线如图3所示。

图3应变—疲劳寿命曲线

Fig.3Strain fatigue life curve

通过对拟合曲线分析，弹塑性应变的交点的横坐标，即过度疲劳寿命为约为19周。材料的实际寿命小于此数值时，弹性应变产生的损伤将大于塑性应变产生的损伤。