陳 濤１,趙路遠１,李 慧１,黃 俊１,２,吳玉程１,２

(合肥工業大學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;在較高應力幅(８０％σs,９０％σs)控制下,試驗合金表現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定;試驗合金主要發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,發現在循環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生斷裂或與基體脫黏導致微裂紋產生.周昆等[９]發現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.

１ 試樣制備與試驗方法

      試驗用７０７５鋁合金由西南鋁業提供,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 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 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型場發射掃描 電 鏡(SEM)和JEMＧ２１００F型場發射透射電鏡(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.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)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、η′(MgZn２)相 和 η(MgZn２)相.GP區為與基體完全共格的溶質原子偏聚區,η′相為與基體半共格的亞穩析出相,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 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.

２．２ 循環應變響應

    圖３中的應變范圍為每個循環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應變響應,但無論應力高低,在初始循環周次條件下,應變范圍均隨循環周次的增加明顯增大,即出現了顯著的軟化現象;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定.這種短期且明顯的循環軟化響應與塑性變形在循環初期的快速積累直接相關,而緩慢且長期循環硬化穩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,觀察其斷口形貌發現:斷口高低不平且在瞬斷區有大量的韌窩,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,疲勞裂紋的萌生區和擴展區所占比例越小,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生偏轉,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;斷口局部區域出現了犁溝、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 遞增[１６Ｇ１７];斷口處存在大量韌窩或孔洞.在循環應力作用下,合金中的位錯大量增殖且因劇烈滑移發生堆積,導致脆性富鐵相發生破裂或與基體脫離而形成許多微小孔洞,或在變形較大的區域于 MgZn２ 相處產生許多顯微孔洞.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)循環作用下,７０７５ＧT６５１鋁合金試樣表面出現了大量垂直于加載方向的微裂紋,這種現象在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 應力幅循環作用后,試樣表面的粗大顆粒開裂或者與基體脫黏,這一現象在９０％σs 應力幅下更為明顯(圖略).

    當對合金施加循環載荷時,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,但是在局部區域塑性變形的長久累積會導致基體出現損傷裂紋.在較大應力幅循環作用下產生了較多的位錯,位錯在顆粒周圍塞積纏結,產生較大的應力集中,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,基體表面因此產生不連續而造成應力集中,進而萌生出疲勞裂紋.

２．５ 疲勞試驗后的位錯組態

    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)循環作用下產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)循環作用下,晶內位錯大量增殖,位 錯彈性應力場增強,致使晶體內的長程內應力增加,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;長程內應力及短程內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.

    (２)隨循環周次的增加,在較高應力幅作用下,７０７５ＧT６５１鋁合金表現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定.

    (３)７０７５ＧT６５１鋁合金的疲勞斷口表面高低不平且在瞬斷區有大量的韌窩,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的氧化物膜,腐蝕過程以 腐 蝕 產 物 Fe２O３ 和Cr２O３ 的沉積為主;鎳基合金在腐蝕初期出現微量的溶解腐蝕,之后以腐蝕產物沉積為主;HR３C不銹鋼在腐蝕初期發生了明顯的晶間腐蝕,之后以腐蝕產物沉積為主.

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