1铝合金材料的疲劳研究进展
徐超，杨尚磊
（上海工程技术大学 材料工程学院 上海 201620）
摘要：综述了铝合金材料的疲劳研究进展，介绍了铝合金材料的疲劳裂纹萌生机制和特性、裂纹扩展规律及其扩展阶段
的研究进展，同时概述了裂纹疲劳行为的影响因素和微观机理方面的最新研究进展，最后从裂纹萌生和扩展机制以及微观
机理等方面概述了铝合金疲劳行为研究趋势。
关键词：铝合金 疲劳 裂纹萌生和扩展 微观机理
0 前言
材料的疲劳性能指标是许多构件设计的重要
依据之一，为此从微观上分析研究材料疲劳裂纹
萌生和扩展特点以及他们与材料本证微观结构之
间的关系具有重要指导意义[1]
。由疲劳引起的焊接
构件表面产生的裂纹萌生、扩展和断裂，都会导
致一系列严重的影响，致使整个系统出现失效现
象。疲劳行为的研究已经成为材料学中的一个重
要分支，由于其存在的广泛性，越来越受到国内
外众多学者的关注。
铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，
在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了
广泛的应用，同时还具有良好的成形工艺性和焊
接性，因此铝合金成为在工业中应用最广泛的一
类有色金属材料[2]
。铝合金材料的疲劳破坏是汽
车、列车、船舶、航空、航天领域中经常遇到的
现象，所以对铝合金的疲劳行为的研究更具有重
要意义。目前对铝合金疲劳裂纹的萌生、扩展和
断裂的微观特征以及疲劳寿命的预测研究也相当
广泛，因此，本文对铝合金材料的疲劳研究进行
了综述。
2 铝合金材料的疲劳研究现状
2.1 疲劳裂纹的萌生
由于交变载荷的循环作用，疲劳裂纹的萌生
过程往往发生在材料存在缺陷或薄弱区域以及高
应力区，其通过不均匀的滑移或位移，从微细小
裂纹形成而逐渐长大扩展至断裂。主要可能存在
以下形式:对一般的工业合金，在交变应力作用下
第二相、夹杂物与基体界面开裂；对纯金属或单
相合金，尤其是单晶体，材料表面的滑移带集中
形成驻留滑移带就会形成开裂；当经受较高的应
力或应变幅时，晶界结合力在低于晶内滑移应力
下，晶界或亚晶界处易发生开裂；另外，对高强
度合金，也会由于夹杂物、第二相本身属于脆性
相从而发生开裂。
由于疲劳裂纹的萌生在整个疲劳裂纹形成过
程中占有相当重要的地位，因此，很多学者对疲
劳裂纹的萌生进行了研究。
Chen和Tokaji[3]
研究了2024铝基SiC粒子增
强相复合材料的疲劳裂纹萌生行为，发现了疲劳
裂纹萌生的阻力随着SiC粒子数和尺寸的增加而
减小，裂纹的萌生大多数与粗大粒子有关，并且
粒子和基体间的界面存在剥离现象，使得裂纹萌生于粒子尖端处，这可能与粒子的尺寸和形状相
关。Campbell[4]
等人研究了319-T7铸造铝合金的
的疲劳裂纹萌生行为，发现疲劳萌生起源于铸造
中产生的气孔等孔洞，并且裂纹源区与氧化膜的
形成也有关。 Shaniavskiy[5]
等人研究了飞机Tu-
154M上液压泵的AL5铝合金的疲劳裂纹萌生机
制，发现AL5铝合金的铸造缺陷对疲劳裂纹的萌
生有很大的影响，其影响了材料疲劳裂纹萌生区
的应力状态。ZHAI[6]
研究了铝锂合金疲劳裂纹萌
生处的强度分布情况，发现在L方向疲劳性能最
差、S方向最佳，并且表面裂纹的形成随着应力水
平的提高而增加，同时其表面裂纹通过韦伯公式
来分析了疲劳裂纹薄弱区的密度和强度分布状
况。Merati[7]
观察了2024-T4合金中萌生裂纹与未
萌生裂纹的粒子尺寸,发现萌生了裂纹的粒子是观
察到的粒子中尺寸最大的。Payne J[8]
等人采用扫描
电镜（SEM）观察了7075-T651铝合金疲劳裂纹
的萌生演化过程，发现粗大的第二相粒子对疲劳
裂纹的萌生行为有显著的影响。Mirzajanzadeh[9]
等
人研究了7075铝合金试样过盈装配对疲劳裂纹萌
生行为的影响，发现过盈装配的断裂试样，其疲
劳裂纹萌生于开孔试样的最小横截面中间，与孔
洞边缘的微动磨损有很大的关系。
显然，缺陷薄弱区、第二相粒子的粗大、气
孔和孔洞集中区域、界面交界处对疲劳裂纹的萌
生行为有显著的影响，是铝合金材料中主要裂纹
生源。但是这些因素的对疲劳裂纹萌生的影响很
复杂，需要进一步通过SEM原位观察等手段来分
析其裂纹萌生的演变过程，确定其各个因素与裂
纹萌生行为的关系，同时也可以改进制备工艺等
手段来减少裂纹萌生。
2.2疲劳裂纹的扩展
研究疲劳裂纹的扩展规律是疲劳裂纹试验过
程中的基础环节，疲劳裂纹的扩展微观模式受材
料的滑移特性、晶界和晶粒取向、析出相、显微
组织特征尺寸、应力水平及裂纹尖端塑性区尺寸
等的影响。一般可以将疲劳裂纹的扩展分为三个
阶段：近门槛扩展阶段、高速扩展阶段(Paris区)和
最终断裂阶段。
Forsyth[10]
把导致z字型裂纹扩展路径的纯滑
移机制定义为第Ⅰ阶段裂纹扩展，并且在许多铁
合金、铝合金和钦合金中都己经观察到裂纹的第
Ⅰ阶段扩展。Forsyth[10]
还指出对于大多数合金来
说，第I阶段扩展通常很短，但是当应力强度因子
范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒，这
时裂纹扩展开始沿两个滑移系统同时或交替进 2行，他把这种以双滑移机制扩展定义为第Ⅱ阶段
扩展。在很多工程合金材料的第Ⅱ阶段断口上通
过SEM可观察到疲劳条纹。
近年来，国外对疲劳裂纹扩展行为的研究关
注度也很高。Ranganathan等人[11]
研究了铝锂合金
的疲劳裂纹扩展机理，发现疲劳裂纹的辉光条纹
在块加载情况下的的形貌有别于传统延展性较好
的辉光条纹，这种特殊加载情况下形成的疲劳条
纹是由于在间断的疲劳裂纹扩展过程中所发生的
多滑移系以及滑移均质化所致。Grayson等人[12]
研
究了2系铝合金的疲劳裂纹扩展行为，观察断裂
表面发现三个明显区域：区域Ⅰ包括裂纹的起源
和早期的晶内裂纹扩展；区域Ⅱ由于脆性Al
2Cu
粒子在裂纹塑性区尖端开始发生断裂，使得材料
的晶界成为裂纹优先扩展的位置，所以其扩展规
律变为晶粒间的裂纹扩展机理，这个扩展机理的
变化明显区分了区域Ⅰ和Ⅱ；区域Ⅲ中，疲劳裂
纹进一步扩展，由于孔隙聚结最终试样发生断
裂，其呈现的金相微观特征为：晶粒取向交叉平
行、犁沟辉光条纹和台阶状的疲劳裂纹等特征。
Gasqueres等人[13]
研究了AA 2024A T351铝合金在
223K时的疲劳裂纹扩展行为，其疲劳扩展机制在
随着环境温度的改变有很明显的变化，这个变化
体现在疲劳裂纹扩展在室温下的第Ⅱ阶段过渡到
223K时疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。223K时的第Ⅰ
阶段裂纹扩展随着平面滑移的增加而变化，并且
受低温和低压的影响。Michel等人[14]
研究了铝合
金在不同环境条件下疲劳裂纹扩展机理以及各种
因素对其的影响，发现2系和7系铝合金在满足特
殊环境、应力比、频率及应力强度因子范围条件
下，其裂纹扩展机制表现为表面单层氧化膜中亚
稳相的断裂机理，并且其裂纹尖端的位错从单平
面滑移演变为多平面滑移机制。Kamp 等人[15]
研究
晶界对铝合金疲劳裂纹扩展的影响，发现晶界从
一定程度上阻碍了驻留滑移带的穿晶扩展，并且
它是一种弱化的裂纹扩展路径，裂纹倾向于沿晶
界或亚晶界扩展。Zhai 等人[16]
研究了2系和7系
铝合金中析出相对疲劳裂纹扩展的行为的影响和
作用，发现当析出相为可剪切的粒子时，疲劳裂
纹的扩展抗力较高，相反，这时滑移出现不可逆
现象，其可以致使裂纹持续的扩展。
因此，研究铝合金疲劳扩展裂纹尖端产生位
错的作用机理，研究位错与滑移、应力水平、微
观结构特征尺寸以及尖端塑性区尺寸对疲劳裂纹
扩展的影响是相当有意义的，但是在β相、GP
区、相界和裂纹尖端塑性区对裂纹扩展路径和裂
纹偏析的影响问题上仍有待改善和研究。
2.3疲劳裂纹的影响因素研究
疲劳行为是一个复杂的变化过程，涉及影响
疲劳裂纹的因素颇多，国外学者对疲劳裂纹的影
响因素进行了长期的研究，并且从各个角度分析
归纳了疲劳裂纹的影响因素。 Sharma等人[17]
研究了AA 2219铝合金各种时
效处理对裂纹的疲劳行为的影响，发现在自然时
效处理下的合金对疲劳裂纹萌生的阻力最大。在
阀值区的欠时效合金由于低疲劳裂纹扩展速率的
影响，其平面滑移系存在滑移不可逆性，然而在
峰时效和过时效合金中，其多滑移系及其滑移可
逆性又导致了高的疲劳裂纹扩展速率。上述表明
在低∆K值下的欠时效合金微观结构对疲劳行为产
生有利的影响，相反，在高应力强度范围下，由
于欠时效合金的大驱动力作用而造成的低屈服强
度导致了较大的疲劳裂纹扩展速率。Hagihara等人
[18]
研究了A6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊焊接接
头，在氢气环境下对接头疲劳裂纹扩展的影响，
发现裂纹的萌生在热影响区并且扩展导致断裂。
在氢气环境下，铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的疲
劳寿命不如在氮气环境下的好，但基本与母材相
同。在裂纹扩展早期，接头的疲劳裂纹扩展速率
相比于母材要快，这可能是由于过时效合金的微
观结构特征所致。Burlat等人[19]
研究了低温工作环
境对7475-T7351铝合金的疲劳寿命的影响，发现
低温环境能给材料的疲劳寿命带来有利的影响，
但是高残余应力给材料的疲劳寿命带来了负面作
用，而其中残余压应力又对裂纹扩展有延迟阻碍
作用。Zupanc和 Grum[20]
研究了斑蚀对7075-T651
铝合金的疲劳行为的影响，发现了铝合金的疲劳
性能大大下降是由于材料的斑蚀诱发的应力集中
而导致的，通过喷丸处理而获得的表面压应力和
表面硬化作用能有效的阻碍裂纹的萌生和扩展从
而延长了疲劳寿命。Wasekar等人[21]
研究了6061-
T6微弧氧化镀层铝合金在预置腐蚀环境下对疲劳
行为的影响，发现预置在3.5%氯化钠溶液中进行
疲劳试验，明显降低了材料在交变应力下的高周
疲劳寿命，而微弧氧化镀层相比于无镀层铝合金
有抵抗腐蚀的作用。Kassim等人[22]
研究了预应变
对7050-T7451铝合金的影响，研究表明随着预应
变的增加疲劳寿命有明显减少，这可能是由于裂
纹萌生时材料微观结构的改变引发的。Tokaji[23]
研
究了应力比对SiC粒子增强相铝基复合材料的影
响，在R=-1时，疲劳强度和无增强相粒子铝合金
材料相同，而在R=0和0.4时疲劳强度有明显的下
降，主要由于拉应力对SiC/Al复合材料的不利影
响所致，另外疲劳裂纹萌生于增强相和基体界面
处并且沿着界面扩展，在拉应力作用下SiC粒子
和基体间较容易出现剥落现象。Suraratchai等人[24]
通过有限元分析了表面粗糙度对铝合金疲劳寿命
的影响，发现由于表面粗糙而引起的应力集中降
低了疲劳寿命，对疲劳行为产生了不利的影响。
Lonyuk等人[25]
研究了硬质阳极氧化和等离子电极
氧化镀层对7475-T6铝合金疲劳性能的影响，发现
氧化镀层大大降低了材料的疲劳强度，残余拉应
力和应力集中是引起疲劳强度下降的主要原因，
而残余压应力有利于疲劳性能。Oskouei和
Ibrahim[26]
研究了热处理对7075-T6铝合金TiN镀