第30卷 第4期2010年8月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 130,N o 14 A ugust 20107075-T651铝合金疲劳特性研究韩 剑, 戴起勋, 赵玉涛, 李桂荣(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)摘要:在不同的应力幅值下测试了7075-T651铝合金的疲劳寿命,拟合试验数据得到合金S -N 曲线,估算疲劳极限为223M P a 。

用扫描电镜观察高低应力幅值下的疲劳试样断口,结果表明:合金的加工缺陷或粗大夹杂处往往为裂纹源,裂纹扩展伴随着小平面断裂的发生,高应力幅下疲劳裂纹扩展区出现犁沟和轮胎花样,而低应力幅下的疲劳裂纹扩展区中除有大量疲劳条带外,还出现了疲劳台阶和二次裂纹。

合金的疲劳瞬断区则存在着撕裂棱与等轴韧窝。

弥散分布的微小析出相对合金的疲劳性能有着积极的影响。

关键词:7075-T 651铝合金;S -N 曲线;疲劳断口DO I :1013969/j 1i ssn 11005-505312010141018中图分类号:TG146121 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)04-0092-05收稿日期:2009-04-21;修订日期:2009-06-16基金项目:国家863高技术研究项目(2007AA 03Z548)作者介绍:韩剑(1984)),男,硕士研究生,从事高强铝合金组织与性能方面的研究,(E -m a il)han ji an_m oon @yahoo .com .cn通讯作者:戴起勋,男,教授,博士生导师,(E -m ail)qxda i @u j s .edu .cn 。

7075合金是美国较早开发的一种铝合金,是航空航天领域广泛使用的一种轻型结构材料。

近年来,因其强度高、重量轻的特性也在其他领域得到广泛应用,例如攀岩设备及自行车零件都普遍使用7075铝合金[1~4]。

在对7075合金所开展的研究工作中,其疲劳性能因与实际应用联系较为密切,是一个极有理论意义和应用价值的课题,目前虽然已有许多科研工作者对其进行了广泛的研究[5~8],但对其疲劳断裂机理研究却不多。

为了进一步深化研究,充分挖掘7075铝合金的使用潜力,本研究对时效7075-T651铝合金材料在不同应力幅下的疲劳断裂机理进行了研究。

1 试验材料和方法试验材料为A lcan 生产的厚度为23mm 的7075-T651铝合金成品板材,合金成分如表1所示。

合金抗拉强度达到580M Pa ,屈服强度为570M Pa ,断后伸长率为8%。

表1 试验合金成分(质量分数/%)T able 1 T he component o f alu m i nu m a lloy (m ass fracti on /%)Zn M g Cu M n T i C r N i Fe S i A l 5.682.401.630.140.220.180.0440.180.06Ba.l疲劳试验在PLA30050疲劳试验机上进行,参照GB /T 4337)1984制成标准圆棒光滑试样。

试验在室温下进行,应力水平设置在518MPa 到200MPa 之间测试轴向应力疲劳性能,疲劳试验的应力比R =-1,即轴向拉压对称加载,控制波形为正弦波,循环加载频率为20H z 。

试样在机器上循环加载直至断裂,记录加载周次。

将疲劳断口完整切下,浸于酒精中在超声波清洗仪中清洗,而后在JS M-7001F 型扫描电子显微镜下进行断口形貌观察和分析,并用扫描电镜自带的I nca Ener gy 350能谱仪作EDS 分析。

2 试验结果与分析2.1 疲劳寿命曲线将测得的试验数据拟合得到S-N 曲线(图1),数据点基本平均分布在曲线两侧,较为吻合。

S-N 曲线没有水平部分,只是随着应力的降低,循环周次不断增大。

通常,如果材料应力循环107周次不断第4期7075-T651铝合金疲劳特性研究裂,则可认为其承受无限次应力循环也不会断裂,并将107周次作为测量疲劳极限的条件基数。

根据文献[9]的方法,如以107次为基数,按由大到小的顺序加载,试样在R i 时,不到107次就发生断裂,而试样R i +1应力循环107次仍未发生断裂,并且两个应力的差R i -R i +1小于R i +1的5%,则R i 和R i +1的平均值就是条件疲劳极限,即R -1=(R i +R i+1)/2。

应用该方法进行条件疲劳极限的测定时,要求至少有两根试样达到试验循环基数(107)而不破坏,以保证试验结果的可靠度。

从S-N 曲线变化的趋势看,当应力水平小于220M Pa 的情况下,疲劳寿命基本都能达到107。

当R 为228MPa 时,试样在接近107周次发生断裂,而当R 为218MPa 时,循环周次达到1.06@107也未发生断裂,R 为198MPa 时,循环周次也达到1.15@107未断裂,符合基本条件,因此求得条件疲劳极限为223M Pa 。

该方法虽然不如升降法能精确的测定出疲劳极限,但能大致估算出疲劳极限的应力水平。

图1 7075-T 651铝合金的S-N 曲线F i g 11 T he S-N curve o f 7075-T 651a l u m i nu m a ll oy2.2 疲劳断口形貌观察与分析采用扫描电镜观察了两个不同应力幅下合金的疲劳断口形貌,在应力幅460M Pa(图2a)和228MPa (图2b)的局部断口照片中,从左至右分别为裂纹源和裂纹扩展区。

裂纹源是疲劳破坏的起点,它位于接近表面的扩展区内部,裂纹源起源于试样次表面的缺陷,如孔洞、夹杂等。

这些缺陷都起着尖缺口的作用,促使应力集中,促进疲劳裂纹的萌生。

如果试样内部不存在缺陷,则裂纹源一般在表面处形成[10]。

在本试验合金中存在两种裂纹萌生可能:一种是合金生产过程中产生的缺陷导致裂纹萌生,如图2b 的加工缺陷;另一种是由第二相与基体界面脱粘而形成裂纹源。

图2的裂纹源区都可以看到一些第二相,对其进行EDS 能谱分析可知有的是凝固过程中形成的富Fe 金属间化合物(图2c),另一些是高硅氧化物(图2d)。

当合金中的位错在应力作用下开动,位错运动至第二相处产生应力集中。

这些第二相颗粒在交变应力作用下与基体沿界面分离(含硅相),或者本身由于属于脆性相而发生断裂(富铁相),这两种情况都可能导致裂纹的萌生。

因此,减少降低高强铝合金在熔炼过程中杂质含量,将会极大的改善其疲劳性能。

疲劳断口上光滑、细洁的小区域是裂纹扩展区,反复的张开和闭合使断口两面相互挤压和摩擦,形成了断口上最细滑的区域。

对比图2,低应力幅相对高应力幅疲劳断口上疲劳裂纹稳定扩展区所占面积较大,失稳扩展区和瞬断区较小,这也就意味着随着载荷的降低,疲劳寿命会越来越长。

从图2b 中可见,以裂纹源为中心向四周辐射的放射台阶和条纹,它们的方向与裂纹扩展方向一致;而图2a 高应力幅下疲劳断口稳定扩展区面积很小,由于载荷大,裂纹失稳扩展区所占面积较大。

疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域,460M Pa 下的裂纹扩展区形貌如图3所示,在图3a 当中,裂纹扩展区为较平缓的台阶,呈现出细涟波纹理,未发现明显的疲劳条带。

这是由于热处理后的7075铝合金中存在着大量的纳米强化相,使裂纹形成后的扩展受到很大的阻力,裂纹在晶粒内部扩展困难,导致裂纹彼此相邻边界处发生较大的变形,从而以撕裂的方式连接,使部分晶粒片层断裂,呈现出小平面断裂的特征[11]。

但与一般的小平面断裂有着明显区别的是,疲劳断口上的撕裂棱之间有着明显的过渡区域,存在一定的塑性变形,在其内部可以看到大量的犁沟与纳米尺度的第二相颗粒,如图3b 所示。

图3e 的EDS 分析结果显示,这些第二相是7075铝合金的主要强化相M gZn 2相,在片层撕裂过程中第二相颗粒在高载荷作用下做刨削运动,因而在断口表面上留下了大量的犁沟。

同时断面上局部出现了如图3c 中箭头所示的轮胎花样,它是高应力幅下疲劳断口所特有的特征形貌。

根据C .D.Beache m [12]的说法,这是裂纹在扩展过程中匹配面上的棱角或硬的夹杂物、第二相颗粒等在循环载荷作用下向前跳跃式的运动,在裂纹张开和闭合时连续地被压入裂纹表面而形成的大体互相平行、间距相等的排压痕样。

图3d 为接近瞬断区的裂纹失稳扩展区的照片,主要以大量的拉断台阶为主,有明显的脆性沿晶开裂,晶面之间不再出现之前的犁沟,而是在台阶之间分布着一些裸露的第二相颗粒。

说明此时的过载已经很大,第二相颗粒来不及在循环载荷之下做刨削运动,而迅速开裂。

93航空材料学报第30卷94第4期7075-T651铝合金疲劳特性研究 7075-T651铝合金在228MPa 下的裂纹扩展区形貌如图4所示,可以看到其断口形貌与460MPa 下的断口形貌截然不同,有较为明显的脆性疲劳断口的特征,是伴随着小平面断裂而形成的。

图4a 中可以看到羽毛状的扩展花样。

这是由于当疲劳裂纹由一个晶粒向另一个晶粒扩展时,在晶界处位错运动受阻,由位错塞积造成的拉应力引起开裂,萌生了新的裂纹,为了追求最少的能量消耗,裂纹就会扩展到附近不同的晶面上去,形成羽毛状特征[13]。

同时可以看到,裂纹扩展区内存在较多的坑洞,它们会使材料的疲劳性能下降。

从图4b 中可看到大量的疲劳条带,它是裂纹扩展时留下的微观痕迹,疲劳条带的方向和裂纹扩展方向垂直,平均间距为0.08L m,每一条条带可以视作一次循环的扩展痕迹。

同时疲劳条带间存在着大量弥散的强化相,疲劳条带的宽度比一些尺寸偏大的强化相颗粒还小。

在形成疲劳条带的过程中,当疲劳裂纹扩展遇到析出相时,析出相会对其产生阻碍,裂纹必须绕过析出相才能继续扩展,在此过程中一些颗粒被/拔出0基体而留下空洞。

所以合金中细小而弥散的析出相对合金的疲劳性能的影响是积极的[14]。

在图4c 中可以看到,同一平面上的疲劳条带是连续而平行的,与垂直于裂纹扩展方向上的相邻小面上的条带保持连续,而与裂纹扩展前方的相邻小面上的条带则不连续,不平行。

说明裂纹在一定范围内是在多个晶面上同时向前扩展后相交;在遇到前方晶界时,裂纹前沿受阻,其条带取向将发生改变,所形成的疲劳台阶也是一种重要的微观特征。

图4d 为疲劳失稳扩展区的微观特征,裂纹扩展速率加快伴随着断口上出现大量的二次裂纹,它也是疲劳断口的一种重要微观形貌。

二次裂纹往往与疲劳条带保持平行,既有沿晶断裂也有穿晶断裂,在本试验中,主要以沿晶断裂为主。

二次裂纹在断口上呈断续分布,其深度远大于条带在断口上的深度。

图4 应力幅为228M P a 下的高周疲劳疲劳裂纹扩展区形貌F i g 14 SE M m orpho logy of fati gue crack propagation reg i ons unde r stress a m plit ude of 228M Pa当疲劳裂纹扩展到临界尺寸后发生失稳扩展,就形成了断口上的瞬断区。