随着汽车、高速列车的快速发展,为了节约能源、减轻重量、减少冲击, 轻量化材料的使用受到国内外的广泛关注,铝合金作为理想的轻量化材料倍受 青睐,而关于铝合金的多轴非比例低应力疲劳的微观机理研究尚未开展,对于 其多轴非比例低应力疲劳特性及其微观结构的认识尚不清晰,工程上安全设计 缺乏依据,开展汽车、高速列车用轻量化材料的多轴非比例低应力疲劳特性及 其微观机理研究具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于上述问题,本文采 用宏观与微观试验相结合的方法,系统地开展了了Al-Mg-Si合金的多轴非比例低 应力疲劳特性及其微观机理研究(文中没有说明的,系指Al-Mg-Si合金的多轴 非比例低应力疲劳),主要内容如下： (1)针对Al-Mg-Si合金进行了单轴、比例及多轴非比例加载低应力疲劳试 验,重点分析了等效应力幅值和加载路径对多轴非比例低应力疲劳特性及疲劳 寿命的影响,研究表明：随着等效应力幅值的提高,多轴非比例加载的循环硬 化程度增大,与单轴或比例加载相比,在更低的等效应力幅值下就表现出循环 硬化特性；疲劳寿命随等效应力幅值的增大而降低,并显著低于单轴或比例加 载的疲劳寿命,扭转方向比轴向更快地产生了塑性变形；在不同的非比例路径 下,材料的硬化程度、附加强化程度以及疲劳寿命不同。 (2)利用扫描电子显微镜观察了疲劳试样的断口形貌,初步分析了 Al-M-Si合金的疲劳断裂机理,研究发现：多轴非比例加载低应力疲劳断口与 其单轴或比例加载疲劳断口特征没有明显差异,以韧性断裂为主,局部存在脆 性断裂特征,疲劳裂纹既起源于表面,也起源于内部,在疲劳试样断口上,发 现了类似解理和晶间断裂的特征,第二相粒子或夹杂物、晶界、孔洞对铝合金 的多轴非比例低应力疲劳特性和疲劳寿命有明显的影响。 (3)利用透射电子显微镜重点观察了Al-Mg-Si合金多轴非比例低应力疲劳 的位错结构,分析了等效应力幅值和加载路径等对位错结构的影响,结果表明： 随着等效应力幅值的提高,位错密度增大,疲劳位错结构由交滑移线变化为交 滑移带最后形成了“迷宫”状或胞状结构,位错结构的变形抗力增强,位错的 可动性降低,与比例加载相比,在更低的等效应力幅值下就形成了“迷宫”状 或胞状位错结构；在多轴非比例低应力疲劳过程中,位错结构不断演变,位错 结构的变形抗力逐渐增强,位错密度逐渐增大,位错的可动性逐渐降低；在不 同的加载路径下,材料失效时的位错结构及其变形抗力、位错位错密度以及位 错可动性不同。 (4)基于Al-Mg-Si合金的宏观、微观试验结果,重点分析了Al-Mg-Si合 金多轴非比例低应力疲劳的微观机理,研究表明：位错塞积产生的应力集中程 度不同,位错可动性降低程度以及位错结构的变形抗力增强程度不同,使在不 同路径下的循环硬化程度存在差异；在不同非比例路径下,循环稳定时的位错 可动性不同,位错结构的变形抗力不同,导致非比例附加强化程度不同；在不 同的加载路径或等效应力幅值下,位错塞积产生的应力集中程度不同,导致微 裂纹萌生的数量和扩展的速度不同,是疲劳寿命不同的根本原因,附加强化也 在一定程度上影响了铝合金的疲劳寿命；位错可动性和位错结构变形抗力的大 小以及非比例附加强化程度是影Al-Mg-Si合金多轴非比例低应力疲劳特性和 疲劳寿命的重要影响因素。 (5)利用Al-Mg-Si合金疲劳试验结果,验证了常用的多轴非比例疲劳寿命 估算公式,并根据铝合金多轴非比例低应力疲劳的微观机理,考虑加载路径和 非比例附加强化的影响,以最大剪应变和临界面上的最大正应变为损伤参量, 修正了基于临界面法、以最大剪应变为损伤参量的多轴低周疲劳寿命估算公式, 对Al-Mg-Si合金多轴非比例低应力疲劳寿命预测结果的精度明显提高,发展了 现有的多轴非比例低应力疲劳寿命估算公式。 关键词：铝合金,多轴疲劳,非比例载荷,疲劳特性,微观机理