0 引　言

为保障气垫船、高速双体船等高速船舶的总体性能，在保证船体结构具有足够强度和刚度的前提下必须严格控制船体结构的重量。在影响结构重量的主要因素中，艇体结构材料的选择尤为重要。以俄系1560为代表的船用高镁铝合金板材、型材和整体挤压壁板在国外得到了越来越广泛的应用，因其焊后屈服强度明显高于5083、6082等船用铝合金材料，在保证艇体强度要求前提下可有效减轻结构重量，减少焊接变形，能更好地满足各类高速船轻型化、大型化和使命任务复杂化的发展需求。

复杂特性循环载荷下的高速船铝合金船体结构更易出现疲劳裂纹问题，研究高镁铝合金材料在交变应力下的疲劳特性对其在国内高性能船舶上的推广应用具有非常重要的意义，现阶段缺少关于1560等高镁铝合金疲劳性能的研究。本文采用试验方法开展船用1560高镁铝合金材料疲劳性能及板厚规格、焊接和热矫正等对疲劳性能的影响规律研究，并基于试验结果给出疲劳强度校核用S-N的选取建议。

1 疲劳试验方法 1.1 成组法疲劳S-N曲线试验 1.1.1 加载应力等级及试样个数

根据国产1561铝合金研制阶段疲劳试验数据支持情况，本文成组法选取3～6个应力等级，每个应力水平试样数量按如下变异系数方法确定。

假定疲劳强度服从正态分布，平均值$ \bar{x} $和标准差s的计算公式为：

$ \bar{x}=\displaystyle\frac{1}{n}{\sum }_{i=1}^{n}{x}_{i}，$

(1)

$ {s}_{1}=\sqrt{\frac{1}{n-1}{\sum }_{i=1}^{n}\left({x}_{i}^{2}-{\stackrel-{x}}^{2}\right)} 。$

(2)

式中：$ {x}_{i} $为第i个样本值；n为样本容量；标准差s₁一定程度反映数据的离散程度，其数值越大数据越分散。

此处引入式(3)的变异系数$ {C}_{v} $，即为标准差与平均值之比，来反映数据的相对分散性。变异系数$ {C}_{v} $通过试验由n个观测值计算得出。

$ {C}_{v}=\frac{{s}_{1}}{\stackrel-{x}}\times 100\text{%} 。$

(3)

一般情况下要求样本容量n满足式(4)最少样本容量要求。可以看出，最小样本容量n与变异系数$ {C}_{v} $，可靠度$ {p}_{0} $，置信度γ 有关。

$ \displaystyle\frac{{s}_{1}}{\bar{x}}\leqslant \frac{\delta }{{t}_{\gamma }\sqrt{\displaystyle\frac{1}{n}+{u}_{{p}_{0}}^{2}\left({\hat{k}}^{2}-1\right)-0.05{u}_{{p}_{0}}\hat{k}}} 。$

(4)

式中：$ {u}_{p} $为与可靠度$ {p}_{0} $有关的标准正态偏量；$ {t}_{\gamma } $为与置信度γ有关的概率区间。

1.1.2 试验数据处理

由于铝合金材料的应力与寿命同样存在对数线性关系，采用最小二乘法对试验数据进行中值S-N曲线线性拟合，回归方程为：

$ \mathrm{lg}N=\mathrm{lg}b-m\mathrm{lg}S 。$

(5)

式中：S为应力水平，可以是应力幅值、最大应力或应力范围；N为结构在应力范围水平为S时的寿命；m为反斜率；▽m为两端反斜率差；b为曲线参数。

本文采用单侧容限系数法进行下限S-N曲线估算^[1]。γ-P-S-N曲线为样本在γ置信度下，失效概率为P的估计量为$ {\hat{x}}_{(p,\gamma ,,\nu )} $，其物理含义为，以γ的置信度来说（有γ的把握），在母体中至少有P的样本估计量小于真值，计算公式为：

$ {\hat{x}}_{(p,\gamma ,\nu )}=\bar{x}-{k}_{\left(p,\gamma ,\nu \right)}{\hat{\sigma }}_{x}。$

(6)

式中：$ {\hat{\sigma }}_{x} $为标准差估计值；$ {k}_{\left(p,\gamma ,\nu \right)} $为置信度为γ，失效概率为P时，自由度$ \nu $对应的单侧容限系数。

1.2 升降法疲劳极限强度试验

疲劳极限强度试验即是获取给定疲劳寿命下的应力水平，本文采用升降法进行试验获取指定寿命10⁷次的疲劳强度，试验数据至少5配对，配对严格按照标准满足闭合条件。升降法的原理是在2个邻近的应力水平下试验出现相反的结果，则这2个应力取平均值作为平均疲劳极限，由于低应力高循环周次的疲劳试验结果离散度较大，因此通过增加或减少固定的应力水平，获得多个相反结果的对子，将多个对子求平均值即可得到较为精确的条件疲劳极限。

2 船用高镁铝合金材料与典型焊接试件疲劳强度试验 2.1 船舶疲劳典型损伤失效模式分析

在铝合金高速船体结构中，母材的疲劳裂纹是一种具有高应力循环次数构件的常见失效模式，如图1所示，该疲劳裂纹常常开始于船体结构中的切口和沟槽或小的表面缺陷、不平整；疲劳裂纹从焊趾扩展进母材是另一种常见的失效模式，该疲劳裂纹起始于在焊趾处小的缺陷或咬边。

本文主要基于上述典型损伤失效模式开展船用高镁铝合金材料拉-拉疲劳性能试验研究。

2.2 试验方案设计

为掌握船用高镁铝合金材料疲劳性能及板厚规格、焊接和热矫正等对疲劳性能的影响规律，结合2.1节的船舶疲劳典型损伤失效模式，本文主要开展了如表1所示内容的疲劳性能测试和分析。其中，试验所选取的4、10、20 mm厚规格，兼顾覆盖了薄、中、厚板的轧制工艺和船用典型规格范围；焊接方式采用MIG焊。

本文中，主要以50%置信度的试样数用于对比分析，90%置信度的试样数用于工程应用。

2.3 试验用高镁铝合金材料与试验件制备

本文试验采用俄系1561高镁铝合金材料。该材料是以俄罗斯标准命名的耐海水腐蚀高强度铝合金，与船舶常用5083铝镁合金和航空航天2系铝铜合金、7系铝锌合金在理化性能上有较大区别。其化学成分和拉伸力学性能分别见表2、表3^[2]和表4。

从表2可知，1561合金成分中镁元素上限值达到了6.5%，镁含量提高一方面会提高材料的力学性能，一方面会使材料具有更高的气孔敏感性、裂纹倾向性，有必要开展S-N曲线和疲劳极限强度等高周疲劳性能研究。

从表3、表4可知，1560铝合金退火态材料具有较高的屈服强度。在铝合金船体结构设计中，退火态屈服强度是重要的设计输入^[3]。

对试验试板采用常规机械切割加工取样，依据取样位置对试验件进行一次编号，为尽量避免表面状态对最终疲劳试验结果的影响，对加工后试验件采用由粗到细不同规格金相砂纸逐步打磨。

2.4 试验模型与加载

母材及对接焊接头试件设计依据相关规范^[4]，角接焊接头试件设计如图2所示，模拟骨材面板与肘板连接处的典型焊接接头^[5]。

依据材料与对接焊接头基本力学性能预估材料与对接焊接头试件的初始应力等级，最大应力的应力梯度取10～20 MPa。角接焊接头试件的加载载荷由有限元计算结果确定。建立如图3所示的典型角焊接疲劳试件有限元模型，试件两端夹持，约束其y轴、z轴的自由度，并约束其中一端x轴自由度，计算不同轴向拉伸力作用下的应力范围水平。图4为在另一端施加一大小为10.5 kN轴向拉力的应力云图。

本文主要开展r=0.1的轴向加载高周疲劳试验，应力循环频率70～80 Hz，环境温度为室温。对于试验过程中断裂的试件通过断口分析判断是否为疲劳断裂，如果因焊接缺陷、试件加工原因造成的试验失败，不计入计算。

3 船用高镁铝合金疲劳特性分析 3.1 板材疲劳性能及不同厚度的影响分析

材料断裂位置均在试件中部平行段。图5所示为10 mm板材S-N二次中值拟合线，图中S_a对应应力幅。为便于分析，图6为不同厚度板材S-N双对数线性中值拟合线，表5为不同规格板材疲劳极限试验值。从试验结果可看出，1561高镁铝合金板材应力范围中值疲劳极限值在170～190 MPa范围，曲线在N>3×10⁷时趋于水平；中值疲劳极限值约为(0.44～0.50)R_m；不同板厚的轧制工艺对高镁铝合金板材高周疲劳性能影响有限，数据离散性不大。

从材料角度分析，当板材厚度t≤20 mm时，中心层与表面层的微观组织与织构差异应不大。结合试验结果，t≤20 mm的高镁铝合金板材的疲劳性能可不用考虑厚度效应。结构疲劳强度校核时，各规格板材设计用S-N曲线可以统一选取。

3.2 型材、整体壁板疲劳性能及生产工艺的影响分析

材料断裂位置均在试件中部平行段，4 mm板材、型材和整体挤压壁板的S-N双对数线性中值拟合曲线见图7，表6给出对应材料的疲劳极限试验值。从试验结果可看出：1560高镁铝合金挤压型材和壁板应力范围中值疲劳极限值在150～190 MPa范围，曲线在N>4×10⁷时趋于水平；中值疲劳极限值约为(0.42～0.52)R_m；轧制工艺与挤压工艺对高镁铝合金材料高周疲劳性能影响有限。

3.3 不同焊接接头疲劳性能及影响分析

船舶高速航行时，焊接结构中的焊接接头不可避免地会承受交变载荷作用，因此对船用高镁铝合金焊接接头疲劳性能的研究尤为重要^[5]，目前缺乏高镁铝合金焊接接头疲劳强度方面研究。本文主要开展高镁铝合金不同焊接方式焊缝余高测量、对接和典型角接焊接接头的疲劳性能试验，并以此为基础分析焊接接头疲劳性能以及影响分析。

3.3.1 不同焊接方式对疲劳性能影响分析

铝合金焊接接头疲劳强度对焊缝外形的变化比钢的同样接头更敏感，对于横向对接焊缝而言, 焊缝的余高是影响其疲劳强度的主要变量^[6]。本文首先分别对1560高镁铝合金TIG和MIG典型对接焊试件的焊缝余高进行测量。由表7的测量结果可见，MIG焊焊缝余高要明显高于TIG 焊。

对不同余高对接焊焊接接头应力集中系数的有限元对比计算结果表明^[7]，1.68～2.52 mm范围焊接接头余高的应力集中系数约1.88，2.63～3.92 mm范围焊接接头余高的应力集中系数约2.52。由此可见，焊缝平滑光顺与否会直接对焊缝的疲劳强度产生影响，MIG焊焊缝更容易应力集中，综合表7实测余高值和不同焊接接头应力系数计算结果，可预判TIG、MIG焊接方式对疲劳寿命的影响。

3.3.2 不同接头形式疲劳性能分析

焊接试件断裂位置均在焊趾处，典型对接、角接接头的S-N双对数线性中值拟合曲线见图8。表8给出对应材料与对接接头的疲劳极限试验值。由试验结果可知：

1）与母材相比，焊接接头疲劳极限值下降明显。其中，对接接头疲劳极限值约为母材疲劳极限的0.4。

2）观察试样断裂位置发现, 疲劳裂纹起始于焊趾。对对接接头的剖面进行腐蚀，观察其宏观组织，焊缝区发现明显的焊接气孔，焊缝分层明显，这也进一步佐证了铝合金元素中镁含量的提高会使材料具有更高的气孔敏感性、裂纹倾向性。

3.4 热矫正建造工艺对疲劳性能影响分析

选取3、4 mm薄板按实船工艺进行热矫正空冷后，开展疲劳强度试验，对应的疲劳极限试验值见表9。

船用高镁铝合金材料经热矫正空冷后，其疲劳性能略有下降。由于3、4 mm热矫正空冷后的疲劳极限强度波动较大，受限于实际影响因素，进一步的结论还需更多试验结果支撑。

4 船用高镁铝合金设计用S-N曲线选取建议

S-N曲线表示了构件的寿命与所受的各级应力范围水平之间的关系，是船体结构疲劳强度计算的基础。为有效开展铝合金船体结构典型节点疲劳强度评估，本文基于高镁铝合金试验结果和国际焊接协会推荐值，研究给出对应的疲劳评估用S-N曲线选取建议。

国际焊接协会推荐的铝合金材料及典型焊接接头用S-N曲线^[8]与本文试验测试结果的对比分别见图9、图10。其中，试验拟合曲线时采用与国际焊接协会S-N曲线相同的斜率和5%失效概率。

由对比结果可看出：

1）较常规铝合金，船用高镁铝合金材料疲劳极限强度值较高，这说明铝合金中镁含量提高后，能有效提高抗拉强度和疲劳强度。采用目标高镁铝合金时，国际焊接协会推荐的母材S-N曲线略偏保守，可采用图9的试验数据拟合曲线。

2）典型焊接接头方面，包含对接和角接接头的试验拟合曲线与国际焊接协会推荐的保留余高对接接头S-N曲线基本一致。评估目标高镁铝合金焊接接头疲劳强度时，可采用国际焊接协会推荐的保留余高对接接头S-N曲线。

5 结　语

1）1560高镁铝合金材料应力范围中值疲劳极限值在150～190 MPa，曲线在N>4×10⁷时趋于水平；中值疲劳极限值约为(0.42～0.52)R_m；厚度、生产工艺对材料疲劳性能影响不明显，各规格板材、型材和整体挤压壁板设计用S-N曲线可以统一选取。

2）与母材相比，经热矫正建造工艺后的材料疲劳性能略有下降，焊接接头疲劳极限值下降明显。其中，对接接头疲劳极限值约为母材疲劳极限的0.4。这说明船用高镁铝合金中镁含量的提高，一方面有效提高了铝合金疲劳强度，但一方面会使材料具有更高的焊接气孔敏感性、裂纹倾向性，材料研制和选用时需基于主要性能综合考虑镁含量的配比。

3）采用船用1560高镁铝合金时，母材可采用本文的试验数据拟合S-N曲线，焊接接头可采用国际焊接协会推荐的保留余高对接接头S-N曲线。