陳 濤１,趙路遠１,李 慧１,黃 ?。?２,吳玉程１,２

(合肥工業(yè)大學１．材料科學與工程學院;２．安徽省有色金屬材料與加工工程實驗室,合肥 ２３０００９)

      摘 要:在不同應力幅下(６０％σs,７０％σs,８０％σs,９０％σs,σs 為試驗合金屈服強度)對 ７０７５ＧT６５１鋁合金進行了應力控制下的疲勞試驗,研究了其循環(huán)應變響應,觀察了疲勞斷口形貌、表面損傷形貌以及顯微組織,分析了疲勞裂紋的萌生及擴展機制.結果表明:試驗合金中析出了微米級的Al７Cu２Fe顆粒、納米級的η′(MgZn２)相和尺寸較大η(MgZn２)相,此外,還存在尺寸為３~１０nm的細小球狀 GP區(qū);在較高應力幅(８０％σs,９０％σs)控制下,試驗合金表現(xiàn)出先軟化后硬化直至斷裂的疲勞行為,而在較低應力幅(６０％σs,７０％σs)下則先軟化后明顯硬化并趨于穩(wěn)定;試驗合金主要發(fā)生微孔聚集韌窩型斷裂,在較高應力幅下,裂紋源位于粗大夾雜物 Al７Cu２Fe和第二相 MgZn２ 處,位錯大量纏結,而在低應力幅下,裂紋源位于基體輕微撕裂處,位錯形態(tài)為分散的短或長直位錯線.

    關鍵詞:７０７５ＧT６５１鋁合金;顯微組織;疲勞斷裂行為

    中圖分類號:TG１３ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ０００１Ｇ０５

FatigueFractureBehaviorof７０７５ＧT６５１AluminumAlloyunderStressControl

CHENTao１,ZHAOLuyuan１,LIHui１,HUANGJun１,２,WUYucheng１,２

(１．DepartmentofMaterialsScienceandEngineering;２．AnhuiEngineeringLaboratoryofNonＧferrousMetalsandProcessing,HefeiUniversityofTechnology,Hefei２３０００９,China)

    Abstract:Stresscontrolledfatiguetestsatdifferentstressamplitudes,６０％,７０％,８０％ and９０％ ofyield

strength(σs)ofthetestedalloy,respectively,wereconductedon７０７５ＧT６５１aluminum alloy．Thecyclicstrain

responseofthealloywasstudied,thefatiguefracturemorphology,surfacedamagemorphologyandmicrostructure

wereobservedandtheinitiationandpropagationmechanismsoffatiguecrackwereanalyzed．Theresultsshowthat

microＧscaleAl７Cu２Feparticles,nanoＧscaleη′ (MgZn２ )phaseandrelativelylargesizedη (MgZn２ )phasewere

precipitatedinthetestedalloy．Moreover,fineandsphereＧlikeGPzoneswithsizeof３－１０nm wereobserved．

Underthecontrolofrelativelyhighstressamplitude(８０％σs,９０％σs),thetestedalloyshowedafatiguebehaviorof

firstsofteningthenhardeninguntilfracture,whilefirstsofteningthenhardeninguntilbecomingstablerelativelyat

lowstressamplitudes(６０％σs,７０％σs)．Thetestedalloymainlyfracturedinamicroporegathereddimplemanner．

Athighstressamplitude,fatiguecracksinitiatedatthecoarseinclusionofAl７Cu２FeandsecondphaseofMgZn２,

withdislocationtanglingalot．Whereasatlowstressamplitude,thecracksourcewasattheslightlytornpositionof

thesubstrate,andtheproduceddislocationshowedshapesofdispersedshortorlongstraightdislocationlines．

    Keywords:７０７５ＧT６５１aluminumalloy;microstructure;fatiguefracturebehavior

０ 引 言

     AlＧZnＧMgＧCu系合金因具有比強度高、耐腐蝕性能和熱加工性能好等優(yōu)點,被廣泛用于制造飛機、船舶、汽車及鐵路車輛等的結構件[１Ｇ６],在這些結構件 的 斷 裂 失 效 中 疲 勞 失 效 占 ５０％ ~９０％[７].MERATI等[８]研究了７０７５ＧT６和７０７９ＧT６鋁合金疲勞性能和顯微組織的關系,發(fā)現(xiàn)在循環(huán)載荷作用下疲勞裂紋易萌生于粗大的第二相顆粒處,并在位錯塞積作用下顆粒自身發(fā)生斷裂或與基體脫黏導致微裂紋產(chǎn)生.周昆等[９]發(fā)現(xiàn)７０７５ＧRRA 鋁合金的低周疲勞裂紋主要萌生于滑移帶,或者析出物與基體交界處.然而材料的疲勞斷裂既與其加載條件有關,又受其顯微組織影響,為了探究這三者之間的關系,作者選用 T６５１熱處理的７０７５鋁合金(一種具有代表性的 AlＧZnＧMgＧCu系合金),在應力控制下對其進行了疲勞試驗,觀察了疲勞斷口形貌和顯微組織,分析了疲勞斷裂行為,以期對該合金顯微組織和性能有更全面的認識,為該合金的應用提供可靠依據(jù).

１ 試樣制備與試驗方法

     試驗用７０７５鋁合金由西南鋁業(yè)提供,其化學成分如表１所示.先將該合金坯料加熱至４２０℃,再用１２５００t擠壓機擠壓成尺寸為１１０mm×１３０mm×２３０mm 的塊狀鑄錠;將鑄錠加熱至４７０ ℃保溫２h后水淬,隨后進行１２０ ℃×２４h的時效處理(水淬),最后 進 行 預 拉 伸(變 形 量 ２％),得 到 試 驗 用 ７０７５ＧT６５１鋁合金.

    根據(jù) GB/T２２８－２００２,在試驗合金上加工出?８mm×４０ mm 的拉 伸 試 樣,在 MTSLandmark２５０KN 型電液伺服試驗機上進行靜載拉伸試驗,拉伸速度為２mm??min－１,測得其抗拉強度σb、屈服強度σs、伸長率 A、斷面收縮率 Z 分別為 ５２９ MPa,４５０MPa,１０％,６．８％.根據(jù) GB/T４３３７－２００８,將 試 驗 合 金 加 工 成?６．５mm×２８mm 的疲勞試樣,利用 MTSLandmark２５０KN 型電液伺服試驗機在室溫下進行應力控制下的疲 勞 試 驗,采 用 正 弦 波 加 載,應 力 幅 分 別 為６０％σs,７０％σs,８０％σs,９０％σs,頻率為２５Hz,應力比為０．５.用SU８０２０型場發(fā)射掃描 電 鏡(SEM)和JEMＧ２１００F型場發(fā)射透射電鏡(TEM)觀察試驗合金的顯微組織,并用SEM 附帶的能譜儀(EDS)測析出相成分.此外,還用上述掃描電鏡和透射電鏡分別觀察了疲勞斷口、表面損傷形貌以及疲勞試驗后試樣的位錯組態(tài).透射電鏡試樣先機械減薄至８０μm 左右,再在TenupolＧ５型電解雙噴儀上進行雙噴,雙噴時的電壓為１５~２０V,溫度為－２５ ℃,液氮冷卻,雙噴液為３０％硝酸＋７０％甲醇(體積分數(shù))混合溶液.

２ 試驗結果與討論

２．１ 顯微組織

    ７０７５鋁合金是一種典型的可時效強化型高強鋁合金,其時效強化相析出順序為 α相(過飽和固溶體)、GP區(qū)、η′(MgZn２)相 和 η(MgZn２)相.GP區(qū)為與基體完全共格的溶質(zhì)原子偏聚區(qū),η′相為與基體半共格的亞穩(wěn)析出相,η相為與基體非共格的平衡析出相[１０Ｇ１２].由圖１可見:７０７５ＧT６５１鋁合金的顯微組織中存在大量微米級無規(guī)則形狀的粗大分析出相,析出相主要沿軋制方向分布于晶界處。

    這些粗大析出 相 與 基 體 界 面 處 出 現(xiàn) 明 顯 孔 洞,疑 似因腐蝕所致,孔 洞 的 存 在 使 得 這 些 析 出 相 顆 粒 易剝落;粗大析出相中的鋁、銅、鐵元素含量較高,應為 Al７Cu２Fe相[１３Ｇ１５].由圖２可知,７０７５ＧT６５１鋁合金晶內(nèi)或晶界處析出大量長約１００nm、寬約２０nm 的橢球狀或片狀η′強化相以及少量較大的板條狀η相,同時基體中還存在大量尺寸為３~１０nm 的細小球狀GP區(qū).

２．２ 循環(huán)應變響應

    圖３中的應變范圍為每個循環(huán)周次中的最大和最小應變之差.由圖３可以看出:７０７５ＧT６５１鋁合金在不同應力幅下有不同循環(huán)應變響應,但無論應力高低,在初始循環(huán)周次條件下,應變范圍均隨循環(huán)周次的增加明顯增大,即出現(xiàn)了顯著的軟化現(xiàn)象;在高應力幅(９０％σs,８０％σs)下,試驗合金軟化至應變范圍最大值后持續(xù)硬化直至斷裂失效;而在低應力幅

    (７０％σs,６０％σs)下,合金在最初軟化后明顯硬化隨之趨于穩(wěn)定.這種短期且明顯的循環(huán)軟化響應與塑性變形在循環(huán)初期的快速積累直接相關,而緩慢且長期循環(huán)硬化穩(wěn)定階段與合金原始顯微組織、粒子與位錯交互作用、位錯的增殖與湮滅等位錯密度動態(tài)變化相關.

２．３ 疲勞斷口形貌

     對７０７５ＧT６５１ 鋁合金在不同應變幅下進行疲勞試驗,觀察其斷口形貌發(fā)現(xiàn):斷口高低不平且在瞬斷區(qū)有大量的韌窩,因此其主要斷裂方式為微孔聚集韌窩型斷裂;高應力幅(９０％σs,８０％σs)下的疲勞斷口特征極為相似,只是應力幅越大,疲勞裂紋的萌生區(qū)和擴展區(qū)所占比例越小,疲勞裂紋擴展速率越大.以８０％σs 應力幅作用下的疲勞斷口為例進行分析.由圖４可見:斷口疲勞裂紋源周圍存在顯著的放射線特征,這是裂紋在尖端應力場作用下因阻力不同而發(fā)生偏轉(zhuǎn),沿一系列存在高度差的宏觀平面向周圍擴展,形成不同斷裂面并相交而成的;斷口局部區(qū)域出現(xiàn)了犁溝、凹陷、疲勞臺階、疲勞條帶和二次裂紋等,這些疲勞條帶彼此平行,其法線方向為裂紋擴展 方 向,且 間 距 隨 著 裂 紋 的 擴 展 而 單 調(diào) 遞增[１６Ｇ１７];斷口處存在大量韌窩或孔洞.在循環(huán)應力作用下,合金中的位錯大量增殖且因劇烈滑移發(fā)生堆積,導致脆性富鐵相發(fā)生破裂或與基體脫離而形成許多微小孔洞,或在變形較大的區(qū)域于 MgZn２ 相處產(chǎn)生許多顯微孔洞.這些孔洞在外力的作用下不斷長大、聚集、橋接在一起形成裂紋并不斷擴展,最終形成韌窩或孔洞.富鐵相的脫離還導致韌窩或孔洞周圍存在著大量的解理臺階,降低了合金的疲勞性能.此外,合金中彌散分布的大量第二相使裂紋擴展時受到的阻力增大,裂紋與晶界交匯時使晶粒變形,導致部分晶粒片層斷裂,這些結果與他人研究結果相似[１８Ｇ１９].

２．４ 表面疲勞損傷形貌

    由圖５可以看出:在較低應力幅(６０％σs)循環(huán)作用下,７０７５ＧT６５１鋁合金試樣表面出現(xiàn)了大量垂直于加載方向的微裂紋,這種現(xiàn)象在７０％σs 應力幅下同樣可觀察到(圖略);表面基體上有粗大顆粒析出,其EDS譜顯示該顆粒為 Al７Cu２Fe;在８０％σs 應力幅循環(huán)作用后,試樣表面的粗大顆粒開裂或者與基體脫黏,這一現(xiàn)象在９０％σs 應力幅下更為明顯(圖略).

    當對合金施加循環(huán)載荷時,位錯在應力作用下運動,當運動至夾雜物或第二相處受阻形成塞積,這些夾雜物或第二相粒子在交變應力作用下發(fā)生斷裂或與基體沿界面分離,從而導致裂紋的萌生.在較小的應力幅循環(huán)作用下,位錯塞積纏結少,應力集中較小,不會導致硬而脆的 Al７Cu２Fe顆粒的開裂或與基體脫黏,但是在局部區(qū)域塑性變形的長久累積會導致基體出現(xiàn)損傷裂紋.在較大應力幅循環(huán)作用下產(chǎn)生了較多的位錯,位錯在顆粒周圍塞積纏結,產(chǎn)生較大的應力集中,當此應力超過 Al７Cu２Fe顆粒的斷裂強度時,顆粒破裂形成裂紋源;另一方面,當應力超過顆粒與基體的結合強度時顆粒與基體脫黏,基體表面因此產(chǎn)生不連續(xù)而造成應力集中,進而萌生出疲勞裂紋.

２．５ 疲勞試驗后的位錯組態(tài)

    由圖６(a)和６(c)可看出,試驗合金中位錯于晶界處塞積,晶界具有阻止位錯直接運動到相鄰晶粒的作用.在低應力幅(６０％σs)循環(huán)作用下產(chǎn)生的位錯呈分散的短或長直位錯線,部分位錯被析出相釘扎而彎曲纏結,且分布不均勻,如圖６(b)所示.在高應力幅(８０％σs)循環(huán)作用下,晶內(nèi)位錯大量增殖,位 錯彈性應力場增強,致使晶體內(nèi)的長程內(nèi)應力增加,晶界及第二相粒子對位錯的釘扎作用加強,減小了 可動位錯的平均可動自由程,如圖６(d)所示;長程內(nèi)應力及短程內(nèi)應力的增加使位錯移動的阻礙增強,位錯局部纏結的程度增大[２０].

３ 結 論

    (１)７０７５ＧT６５１ 鋁 合 金 中 析 出 了 微 米 級 的Al７Cu２Fe顆粒,以及長約１００nm、寬約２０nm 的η′(MgZn２)和尺寸較大的η(MgZn２)彌散強化相,此外,基體中還存在尺寸為３~１０nm 的細小球狀 GP區(qū).

    (２)隨循環(huán)周次的增加,在較高應力幅作用下,７０７５ＧT６５１鋁合金表現(xiàn)出先軟化后硬化直至斷裂的疲勞行為,而在低應力幅控制下,合金在最初軟化后明顯硬化最終趨于穩(wěn)定.

    (３)７０７５ＧT６５１鋁合金的疲勞斷口表面高低不平且在瞬斷區(qū)有大量的韌窩,其主要斷裂方式為微孔聚集 韌 窩 型 斷 裂;在 較 高 應 力 幅 作 用 下,７０７５ＧT６５１鋁合金中的裂紋源位于粗大析出相 Al７Cu２Fe和 MgZn２ 相處,位錯大量纏結;而在低應力幅作用下,裂紋源位于基體輕微撕裂處,位錯形態(tài)為分散的短或長直位錯線.其他腐蝕特征基本相同,不同的是以均勻腐蝕為主.

    (4)在模擬腐蝕環(huán)境中,TC４合金、Inconel７１８合金 與 HR３C 不 銹 鋼 均 具 有 比 ３１６L 不 銹 鋼 和３１６Lmod不銹鋼更好的耐蝕性能;鈦合金表面存在連續(xù)的氧化物膜,腐蝕過程以 腐 蝕 產(chǎn) 物 Fe２O３ 和Cr２O３ 的沉積為主;鎳基合金在腐蝕初期出現(xiàn)微量的溶解腐蝕,之后以腐蝕產(chǎn)物沉積為主;HR３C不銹鋼在腐蝕初期發(fā)生了明顯的晶間腐蝕,之后以腐蝕產(chǎn)物沉積為主.

（文章來源：機械工程材料 > 2017年 > 7期 > pp.1）