晶粒度對鋁合金疲勞性能的影響

徐 磊，戴光澤2，黃興民2，魏曉偉

(1. 西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ，四川 成都 610039 ；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川 成都 610031)

·先進材料及能源·

晶粒度對鋁合金疲勞性能的影響

徐 磊1，戴光澤2，黃興民2，魏曉偉1

(1. 西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 ，四川 成都 610039 ；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川 成都 610031)

在含有表面粗晶層組織的7A04高強度鋁合金鍛件上取樣，設(shè)計一種非均勻材料四點彎曲疲勞試驗，研究粗晶組織對7A04鋁合金疲勞強度的影響。結(jié)果表明，表面粗晶組織會降低7A04鋁合金試樣表面駐留滑移帶的形成抗力，導(dǎo)致疲勞裂紋更容易在粗晶層組織表面萌生，削弱了材料的疲勞性能。

高強度鋁合金；粗晶層；彎曲疲勞；疲勞壽命；斷口形貌

鋁合金是航空航天以及軌道交通制造領(lǐng)域用量最大的輕金屬結(jié)構(gòu)材料，粗晶層組織又是高強度鋁合金熱成形過程中難以避免的缺陷之一,粗晶組織將削弱材料的力學(xué)性能。一般來講,材料的晶粒尺寸越小，其室溫強度韌性越高，材料的疲勞壽命越高[1]。劉郎儒等[2]通過分別制備粗晶組織試樣和細晶組織試樣研究了LY12-CZ鋁合金型材的疲勞性能，結(jié)果表明粗晶組織疲勞性能顯著低于細晶組織，其中疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生壽命與疲勞裂紋擴展壽命組成；疲勞裂紋萌生于局部應(yīng)變發(fā)生區(qū)域[3]，比如駐留滑移帶等區(qū)域局部應(yīng)變的產(chǎn)生機制將顯著影響疲勞裂紋萌生壽命。M.Hael等[4]和A. S. Hamada 等[5]的研究發(fā)現(xiàn)超細晶組織的疲勞極限比一般粗晶組織疲勞極限顯著提高，并且超細晶組織的疲勞裂紋均在晶界處萌生，而粗晶組織的疲勞裂紋將會在晶界或者晶粒內(nèi)部滑移帶處產(chǎn)生；Steven Nelson等[6]通過研究含有粗晶粒組織的5083鋁合金疲勞過程，建立了雙晶粒尺度疲勞裂紋萌生理論模型，并指出疲勞裂紋將首先在粗晶粒處產(chǎn)生。此外，前人還通過研究Al-Mg合金[7]、7075-T6[8]鋁合金發(fā)現(xiàn)晶粒度對材料的疲勞裂紋擴展抗力有顯著影響，疲勞裂紋擴展抗力均隨著晶粒尺寸的增大而增大；Kee-Ho等[9]在研究表面晶粒度對鎳合金的疲勞強度影響時發(fā)現(xiàn)，表面細晶組織可以提高疲勞裂紋萌生抗力，內(nèi)部的粗晶組織有利于提高疲勞裂紋的擴展抗力。綜上所述，晶粒度及其分布將通過影響疲勞裂紋萌生抗力及擴展抗力影響材料的疲勞壽命，目前關(guān)于高強度鋁合金表面粗晶層對疲勞性能的影響還未曾報道，因此本文選取表面含有2～4 mm厚粗晶組織的7A04鋁合金進行研究。由于表面粗晶組織較薄，制備單一粗晶組織的疲勞試樣較為困難，為了探討表面粗晶組織對7A04鋁合金疲勞性能的影響，設(shè)計了非均勻晶粒度材料的4點彎曲疲勞試驗，并通過分析疲勞試樣斷口形貌特征闡明其疲勞斷裂機制，本工作對評價含表面粗晶組織的變形鋁合金材料的疲勞性能具有實際工程意義。

1 實驗材料及方法

在含有表面粗晶層組織的7A04鋁合金鍛件上取樣，合金成分見表1。鍛件上取樣制備金相組織觀察試樣，先經(jīng)粗、細砂紙分別磨制，再拋光研磨至鏡面，使用1.5%HCl+1%HF+2.5%HNO3+95%H2O溶液腐蝕，然后采用VK9700激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察金相顯微組織，如圖1所示。粗晶層組織單個晶粒厚度為200～400 μm，細晶組織晶粒厚度為20～40 μm，晶粒尺寸存在顯著差異。

表1 7A04鋁合金材料主要化學(xué)成分 %

(a)表面粗晶顯微組織；(b)細晶顯微組織。

圖1 7A04鋁合金粗晶與細晶顯微組織(OM)

在MTS-CMT5305微機控制電子萬能試驗機上進行矩形截面靜拉伸試驗，分別獲得粗晶、細晶材料的靜拉伸性能。在PLD-100型高頻疲勞試驗機上進行4點彎曲疲勞試驗。疲勞斷口形貌采用VK9700激光共聚焦顯微鏡與JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡(SEM)進行觀察。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1靜拉伸實驗結(jié)果

拉伸實驗結(jié)果如表2所示。

表2 拉伸實驗結(jié)果

注：σs為屈服強度；σb為抗拉強度；δ為斷裂伸長率。

由表2可以看出，粗晶組織試樣的抗拉強度與屈服強度明顯比細晶組織試樣分別低84 MPa和70 MPa，所以粗晶組織顯著削弱了材料的靜強度。由于鋁合金材料抗拉強度與疲勞強度之間存在正相關(guān)性[10]，可以推測7A04高強度鋁合金表面粗晶組織疲勞強度將低于細晶組織。

2.2 4點彎曲疲勞實驗結(jié)果

含粗細晶組織的4點彎曲疲勞試樣組織分布不均勻，造成各部分材料的力學(xué)性能存在差異，但是材料的彈性模量與晶粒尺寸無關(guān)。本文進行的疲勞實驗試樣上的應(yīng)力均處于彈性變形范圍內(nèi)，將其設(shè)定為均勻彈性性能材料進行4點彎曲疲勞試樣受力分析，最大彎矩出現(xiàn)在中間2個支點之間的部分。等截面梁橫截面上的最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上離中性軸最遠處。由此可知，介于2個支點間的試樣表面處承受的拉應(yīng)力最大，在實驗中將首先發(fā)生疲勞斷裂。

圖2為含有粗晶層組織的4點彎曲疲勞試樣加載示意圖，試樣截面為邊長10 mm的正方形，其中斜線表示的陰影部分為細晶層組織區(qū)域，黑色部分表示厚度約3 mm的粗晶層組織區(qū)域。將粗晶層一側(cè)朝向4點彎曲實驗的受拉面，用來測試含粗晶層組織鋁合金的疲勞性能。

圖2 含表面粗晶層組織4點彎曲試樣及加載示意圖(單位：mm)

為測試粗晶組織對材料疲勞性能的影響，選定4級疲勞應(yīng)力水平分別測試受拉面為粗晶組織試樣和受拉面為細晶組織試樣的疲勞壽命。從圖3可知，粗細晶組織試樣的疲勞強度有顯著差別，受拉面為粗晶組織試樣的疲勞壽命顯著低于細晶組織試樣，說明表面粗晶組織將顯著削弱材料的疲勞性能。

圖3 含表面粗晶組織試樣與細晶試樣4點彎曲疲勞實驗數(shù)據(jù)(應(yīng)力比：γ=0.1)

2.3疲勞斷口宏觀形貌

圖4顯示典型4點彎曲疲勞斷口宏觀形貌，整個端口可以分為疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3部分。疲勞裂紋源均形成于試樣的受拉面。裂紋向試樣內(nèi)部擴展進入擴展區(qū)，由于裂紋擴展過程中斷裂平面反復(fù)地張開和閉合，使得斷口兩面互相擠壓并產(chǎn)生摩擦，形成了宏觀上光滑、明亮的區(qū)域，即為裂紋擴展區(qū)。由圖4可知在320 MPa時疲勞裂紋擴展區(qū)大概占斷口總面積的1/3。當(dāng)疲勞裂紋擴展達到試樣的臨界裂紋尺寸時，試樣發(fā)生快速失穩(wěn)斷裂，形成形貌較粗糙的暗灰色瞬斷區(qū)。

圖4 疲勞斷口宏觀形貌

2.4疲勞斷口微觀形貌

采用掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對7A04鋁合金試樣疲勞裂紋源區(qū)進行觀察，試樣在交變疲勞載荷作用下存在2種裂紋萌生機制：由位錯作用產(chǎn)生的駐留滑移帶(簡稱PSB)引發(fā)疲勞裂紋[7]和材料本身存在的缺陷引發(fā)疲勞裂紋萌生。疲勞裂紋萌生區(qū)微觀形貌如圖5所示。

(a)含表面粗晶組織試樣；(b)細晶組織試樣。

圖6(a)顯示擠壓條帶形成的疲勞源特征形貌，其實質(zhì)為PSB，鋁合金為FCC晶體，PSB易在試樣表面形成；圖6(b)所示為激光共聚焦顯微鏡下三維斷口形貌圖，可見疲勞裂紋萌生平面與試樣表面大致呈45°角。將圖6(a)中所示裂紋源區(qū)域進一步放大觀察如圖6(c)所示，PSB區(qū)域深度為10 μm左右，并且第一階段裂紋主要在此滑移面上擴展，形成平整的擴展表面，對應(yīng)滑移裂紋擴展區(qū)。

(a)滑移平面上的PSB(LSCM二維照片);(b)滑移平面上的PSB(LSCM三維照片);(C)滑移平面上的PSB(SEM)。

圖6 疲勞裂紋萌生區(qū)微觀形貌

圖7(a)與(b)中顯示裂紋起源于試樣次表面的缺陷。經(jīng)能譜分析得知裂紋源存在有鐵的氧化物雜質(zhì)相，在雜質(zhì)相處容易引起顯著的應(yīng)力集中，促使疲勞裂紋萌生。

粗晶組織的強度較細晶組織強度低，所以PSB更容易在粗晶層組織表面形成。由疲勞裂紋萌生機制可知，提高材料的滑移抗力，增大PSB形成的阻力可以達到提高材料疲勞裂紋萌生抗力的目的，所以采用細晶強化與沉淀強化增大材料的表面滑移抗力可以提高材料的疲勞性能。

(a)夾雜物微觀形貌(SEM);(b)夾雜物三維形貌(LSCM)。

由圖8(a)可知，含表面粗晶組織的試樣疲勞裂紋擴展開始階段斷口較為粗糙，第1階段裂紋擴展長度約為800 μm。疲勞裂紋在表面單個晶粒組織中沿著主滑移方向擴展，直到遇到晶界時擴展方向才發(fā)生改變，所以斷口形貌由比較大的滑移斷裂平面組成，表現(xiàn)為粗糙斷口形貌。由圖8(b)可知，細晶組織裂紋形成后，將在幾十微米的擴展距離內(nèi)到達下一晶粒，疲勞裂紋在經(jīng)過晶界時擴展方向發(fā)生改變，在相對更短距離內(nèi)轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力的方向，疲勞斷口由比較小的斷裂平面組成。綜上所述，第1階段裂紋擴展區(qū)的斷裂形貌及其機制受到晶粒尺寸的顯著影響。

(a)表面粗晶組織試樣

(b)表面細晶組織試樣

疲勞裂紋經(jīng)過初始階段擴展后，2種試樣疲勞裂紋均轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力方向，進入第2階段疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展區(qū)。由于第2階段裂紋擴展區(qū)已進入細晶組織區(qū)，對于滑移系統(tǒng)較多面心立方結(jié)構(gòu)的材料，可能產(chǎn)生的疲勞條帶形貌也較為明顯，因為疲勞裂紋尖端的塑性區(qū)在循環(huán)載荷下不斷張開鈍化和閉合銳化，使裂紋每向前擴展一步便會產(chǎn)生一個新的條帶距離[11-12]。如圖9(a)所示，疲勞條帶基本是一系列彼此平行的紋路，其法線方向基本與該處局部裂紋的擴展方向一致。但是由于相鄰晶粒的取向不同，裂紋在擴展過程中會在越過晶界時改變擴展方向，表現(xiàn)為同一視場內(nèi)不同系列的疲勞裂紋分布在不同高度和角度的平面上；但是由于疲勞條帶對ΔK值、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境條件以及合金成分等因素具有強烈的敏感性，不是疲勞裂紋擴展過程中都會形成，如圖9(b)所示，為7A04高強度鋁合金材料4點彎曲試樣斷口呈現(xiàn)出的解理小平面。

(a)疲勞條帶

(b)解理平面

通過疲勞斷口形貌觀察分析可知，含表面粗晶組織試樣疲勞裂紋源存在顯著的PSB區(qū)域，而表面細晶組織試樣疲勞裂紋多萌生于雜質(zhì)相處。這說明表面粗晶組織更容易滑移引發(fā)形成PSB疲勞開裂，而表面細晶組織由于強度較高不容易發(fā)生局部的滑移變形。綜上所述，表面粗晶組織將削弱7A04高強度鋁合金的疲勞裂紋萌生抗力。

2.5典型疲勞斷口形貌

為了進一步證實以上觀點，本文設(shè)計了圖10所示受拉面分布有混合晶粒度組織的4點彎曲疲勞試驗，黑色區(qū)域為粗晶組織區(qū)，陰影部分為細晶組織區(qū)。結(jié)果表明試樣的裂紋源均位于表面粗晶組織區(qū)域，典型斷口形貌如圖11所示。

圖10 含部分表面粗晶層組織4點彎曲試樣及加載示意圖

(a)疲勞斷口微觀形貌；(b)疲勞裂紋擴展區(qū)；(c)圖(b)中白色區(qū)域裂紋擴展區(qū)微觀形貌。

圖11 疲勞斷口形貌(LSCM)

由圖11(a)可知，受拉面粗晶組織區(qū)域斷口形貌較為粗糙，疲勞裂紋擴展方向比較明顯。進一步觀察裂紋擴展區(qū)，如圖11(b)所示，粗晶組織區(qū)域裂紋擴展區(qū)存在互成各個角度的平面，將(b)圖中白色虛線框內(nèi)標(biāo)注部分放大觀察如圖11(c)所示，可見明顯的疲勞條帶，從疲勞條帶的彎曲方向進一步驗證了裂紋源位于受拉面的粗晶組織處。綜上所述，粗晶組織區(qū)域疲勞裂紋更容易萌生，然后疲勞裂紋從粗晶組織區(qū)域擴展并最終導(dǎo)致試樣斷裂失效。

3 結(jié)論

1)矩形截面靜拉伸試驗結(jié)果表明表面粗晶組織抗拉強度與屈服強度均顯著低于細晶組織；

2)設(shè)計了一種含表面粗晶組織試樣的非均勻材料疲勞性能測試表征方法，疲勞試驗結(jié)果表明含有表面粗晶組織的試樣疲勞壽命顯著低于細晶組織試樣；

3)疲勞斷口形貌分析表明粗晶組織削弱了材料表面滑移抗力，粗晶組織表面更易形成駐留滑移帶，導(dǎo)致疲勞裂紋更容易在試樣表面萌生，從而降低試樣的疲勞壽命。

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(編校：夏書林)

EffectofSurfaceCoarseGrainonFatiguePropertyof7A04AluminumAlloy

XU Lei1, DAI Guang-ze2，HUANG Xing-min2，WEI Xiao-wei1

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,chengdu610031China.)

Surface coarse grain structure occurs during thermal process of high strength aluminum alloy. There are different mechanical properties between surface coarse and internal grain structure, which would affect the service performance. In this paper, sample including surface coarse grain is prepared from 7A04 aluminum forgings. The fatigue properties of the both grain size sample are studied through the four-point bending fatigue test, and the results show that surface coarse grain structure reduces the resistance of persistent slip bands those lead to fatigue crack more easily in the surface coarse grain structure and reduce the fatigue property.

high strength aluminum alloy；coarse grain； bending fatigue；fatigue life；fractography

2014-11-10

四川省教育廳科研項目(15ZB0137)；西華大學(xué)自然科學(xué)重點基金(Z1420105)；汽車高性能材料及成形技術(shù)省高校重點實驗室開放基金(szjj2014-057)。

徐磊(1983—)，男，講師，博士，主要研究方向為材料塑性成形、服役行為評價及有限元仿真技術(shù)。

TB301

：A

：1673-159X(2015)02-0041-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.008