随着汽车工业、城市轨道交通的快速发展，铸造铝合金等轻量化材料被越 来越多地应用于车用构件中，以替代钢、铸铁等传统材料，如汽车的缸体、轮 毂及磁浮列车的托臂、摇枕等关键构件都已大量使用铸造铝合金材料。由于汽 车、磁浮列车的关键构件通常处于多轴受力状态下，材料的循环变形行为与单 轴加载相比会有较大变化，疲劳寿命也更低，因此深入研究铸造铝合金材料的 多轴疲劳性能可以为构件的安全设计提供更为符合实际的数据参考，这对于铸 铝构件的安全应用是迫切需要的。目前，关于铸造铝合金疲劳性能的研究仍集 中在单轴加载上，为了给铸铝构件的应用提供更为全面、可靠的理论依据和数 据积累，开展铸造铝合金材料的多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的 研究具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于上述原因，本文采用宏观与微 观试验相结合的方法，系统地开展了ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周 疲劳特性及微观机理的研究，主要内容如下： (1)对ZL101铸造铝合金进行了单轴及多轴非比例加载低周疲劳试验，重 点分析了等效应变幅值和应变路径对材料多轴非比例加载低周疲劳特性及疲劳 寿命的影响。研究表明：随着等效应变幅值的提高，材料的循环硬化程度增大， 在非比例加载下，材料还产生程度较轻的附加强化；疲劳寿命随等效应变幅值 的增大而降低，且在相同的等效应变幅值下，材料的非比例加载低周疲劳寿命 显著低于单轴或比例加载的疲劳寿命；在不同的非比例应变路径下，材料的循 环硬化程度、附加强化程度以及疲劳寿命均表现出对应变路径的依赖性。 (2)利用扫描电子显微镜及金相显微镜观察了ZL101铸造铝合金的疲劳断 口，着重分析了材料低周疲劳裂纹的萌生与扩展方式。研究发现：ZL101铸造铝 合金低周疲劳裂纹的萌生与扩展均与共晶硅相有密切联系；共晶硅颗粒的断裂 是疲劳微裂纹萌生的主要方式；在循环初期，疲劳微裂纹的扩展主要通过临近 已断裂的共晶硅颗粒相互连接进行，长大后的微裂纹以穿过α-Al基体互相连接 的方式形成贯穿性的主裂纹，并最终导致材料的破坏；疲劳条纹和α-Al基体的 穿晶断裂是疲劳断口较为明显的特征。 (3)利用透射电子显微镜观察了ZL101铸造铝合金多轴非比例加载低周疲 劳的位错结构，分析了等效应变幅值和应变路径对位错结构的影响。结果表明: 在多轴载荷下，随等效应变幅值的提高，材料的位错结构发生从交叉位错带向 位错胞结构的转化。但与比例加载相比，非比例加载方式使材料在更低的等效 应变幅值下便可形成胞状位错结构。等效应变幅值的增加和非比例加载方式均 有利于材料形成胞状位错结构特征。ZL101铝合金组织结构的均匀程度较差，缩 小了位错自由运动的空间是材料在等效应变幅值较低时难以形成胞状结构的主 要原因。 (4)基于ZL101铸造铝合金的低周疲劳宏观、微观试验结果，重点分析了 ZL101铸造铝合金在多轴加载条件下循环变形行为的微观机理，并对材料多轴非 比例加载低周疲劳寿命显著降低的原因给出了微观解释。分析表明：在不同的 应变路径下，断裂硅颗粒的增长速率依赖于应变路径的变化，导致疲劳微裂纹 的萌生速率及扩展速率表现出对应变路径的依赖性，这是材料的非比例加载低 周疲劳寿命依赖于应变路径的主要原因；而在多轴非比例加载下，断裂共晶硅 颗粒的快速增长及断裂方式上的多样性是造成材料在相同等效应变幅值下多轴 非比例加载低周疲劳寿命显著低于单轴及比例加载低周疲劳寿命的主要原因。 (5)利用ZL101铸造铝合金的疲劳试验结果，验证了常用的多轴非比例加 载低周疲劳寿命估算公式，并根据材料的多轴低周疲劳的微观机理，考虑应变 路径和附加强化的影响，对基于临界面法的疲劳寿命估算公式进行了修正，得 出的公式适用于ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算，丰 富了现有的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式。 关键词：铸造铝合金，多轴疲劳，非比例加载，疲劳特性，共晶硅