不同應(yīng)力下7B04鋁合金的疲勞斷口

蹇海根，姜鋒，文康，黃宏鋒，韋莉莉，蔣龍

(中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

研究用合金是國產(chǎn) 7×××高強鋁合金中的一種，與美國的7075合金和俄羅斯的B95合金相當，具有密度小、硬度高、加工性能好等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天及民用工業(yè)，是航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料之一[1?4]。由于合金零部件一般應(yīng)用于循環(huán)加載的情況下，其在使用過程中的疲勞行為特性就顯得尤為重要[5?7]。自從Goodman[8]建立了考慮平均應(yīng)力的疲勞壽命圖以來，國內(nèi)外研究者對合金的疲勞性能展開了大量的研究。Manson等[9?10]總結(jié)提出了評定材料的低周疲勞斷裂規(guī)律，即?ε?N曲線；而20世紀60年代發(fā)展并建立起來的斷裂力學，很快就被用于研究材料的疲勞裂紋擴展特性[11?13]；Paris等[14]建立了裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子幅值(?K)之間的一般關(guān)系。近年來，許多研究人員利用電子顯微鏡對材料在疲勞過程中的微觀組織變化進行觀察，研究了疲勞裂紋萌生及擴展的疲勞斷裂機制。其中，Bruzzi等[15?16]采用?Jeff作為裂紋擴展驅(qū)動力，對缺口疲勞短裂紋的擴展行為進行了研究；Froustey等[17]考慮到裂紋閉合效應(yīng)，研究了鑄造鋁合金中萌生于缺陷和缺口的疲勞裂紋擴展，并提出了疲勞壽命的估算模型；RAN等[18]采用裂紋尖端塑性區(qū)作為控制參量，研究了萌生于鋁合金缺陷處短裂紋的擴展。為此，本文作者通過金相和電鏡掃描顯微技術(shù)對鋁合金在疲勞拉伸過程中疲勞裂紋的萌生及擴展進行了研究，并對不同應(yīng)力水平條件下的疲勞斷口進行了微觀觀察和對比分析，旨在為這類合金以后的疲勞研究和應(yīng)用提供一定的依據(jù)和參考。

1 實驗

實驗用鋁合金板材由東北輕合金有限責任公司提供，合金經(jīng)熔煉鑄造、均勻化處理后熱軋成30 mm厚的板材，其化學成分如表1所示。在470 ℃保溫60 min后快速淬火冷卻，再進行 2%的預拉伸以釋放淬火殘余應(yīng)力，然后進行115 ℃×8 h+165 ℃×16 h雙級時效處理。

表1 實驗鋁合金的化學成分Table 1 Chemical composition of tested aluminum alloy w/%

疲勞試驗樣品取自板材縱向，其試樣取向及取樣位置如圖1所示(其中：d為直徑，R為半徑)。為了從微觀角度進一步了解合金板材的疲勞特性，對熱處理后的板材進行金相顯微觀察和掃描電鏡(SEM)斷口形貌觀察。疲勞試驗在MTS810型液壓伺服材料試驗機上進行，載荷波形為正弦波，頻率為20 Hz，應(yīng)力比為?1。穿過疲勞源區(qū)沿裂紋擴展方向及斷口附近(圖1中的A點)分別取樣進行金相觀察。高倍掃描實驗在Sirion場發(fā)射掃描電鏡上進行，截取疲勞試樣的斷口，對斷口的一些典型區(qū)域進行掃描。

圖1 疲勞實驗試樣及取樣位置Fig.1 Samples of fatigue experiments and sampling positions

2 結(jié)果與分析

2.1 裂紋的萌生

疲勞裂紋一般萌生于材料表面或靠近表面的位置。在斷口上，裂紋從萌生點開始，在擴展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發(fā)生擴展方向上的偏離，此后，裂紋開始在各自的平面上繼續(xù)擴展。不同的斷裂面相交而形成臺階，這些臺階在斷口上構(gòu)成了放射狀射線(圖2)。由于在源區(qū)內(nèi)疲勞裂紋的擴展速率很慢，通常需要經(jīng)過多次循環(huán)才能形成，所以，疲勞源區(qū)的斷口通常比擴展區(qū)和瞬斷區(qū)更平坦，而在整個斷口上與其余2個區(qū)相比，疲勞源區(qū)所占的面積也是最小的(圖3)。

裂紋源區(qū)附近的斷面顯微組織分析結(jié)果表明：在這一區(qū)域內(nèi)觀察不到疲勞輝紋，而且加載應(yīng)力越大，這個區(qū)域的面積就越小。從圖2(a)可見：在285 MPa的加載應(yīng)力下，裂紋形成點約200 μm×600 μm范圍內(nèi)沒有觀察到輝紋，而在430 MPa應(yīng)力加載條件下，半圓形(半徑R約為 150 μm)的疲勞源區(qū)面積明顯減小。

對疲勞試樣斷口另一端進行觀察，可以觀察到所謂的“魚眼”狀疲勞斷口，如圖3所示。這主要是表面層存在殘余壓應(yīng)力，裂紋源逐漸向次表面內(nèi)移動的結(jié)果。同時，加載應(yīng)力對疲勞裂紋形成位置與材料表面的距離有明顯影響，疲勞源(即“魚眼”)距表面的位置隨加載應(yīng)力增大而向表面移動，在285 MPa加載應(yīng)力下，疲勞源距離表面約 250 μm，而在 430 MPa加載應(yīng)力條件下，疲勞源接近于材料表面，如圖3(b)中箭頭所示。

圖2 不同加載應(yīng)力下疲勞斷口源區(qū)的SEM像Fig.2 SEM images of fatigue crack initiation sites under different loads

圖4 不同加載應(yīng)力下疲勞斷口剖面及斷口附近(A點)的顯微組織Fig.4 Microstructures of section of fatigue fracture and point A under different loads

穿過疲勞源區(qū)沿裂紋擴展方向的剖面及斷口附近(圖1中A點)的顯微組織見圖4。從圖4(a)和4(b)可以看出：加載應(yīng)力越大，組織變形越大，材料的疲勞損傷程度也就越嚴重。同時，裂紋萌生后，在隨后的循環(huán)加載應(yīng)力作用下，微裂紋沿著與應(yīng)力軸呈 45?角的最大切應(yīng)力方向向縱深擴展；靠近表面的裂紋為沿晶擴展，而經(jīng)過一定深度之后裂紋轉(zhuǎn)入穿晶擴展，如圖4(c)和4(d)所示。這是因為晶界在一定情況下也可視為一種晶體缺陷，容易出現(xiàn)位錯塞積，沿晶界形成一些微裂紋。當微裂紋進一步擴展后，裂紋尖端在不斷地張開和閉合的過程中，出現(xiàn)穿晶裂紋擴展。

一般來說，第1階段裂紋擴展的深度較淺，當裂紋擴展這一段距離之后，遇到障礙(如晶界、夾雜等)就由 45?轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力軸正交的方向擴展，從而裂紋的擴展進入了第2階段(圖5)。當裂紋擴展到疲勞后期時，斷裂近似于靜載斷裂，呈明顯的剪切斜斷口且表面呈結(jié)晶狀，如圖6所示。

圖5 不同加載應(yīng)力下疲勞斷口的形貌Fig.5 Fractographies of fatigue fracture samples under different loads

圖6 不同加載應(yīng)力下疲勞斷口的SEM像Fig.6 SEM images of fatigue fracture sample under different loads

第1階段裂紋擴展所需的循環(huán)次數(shù)在總的疲勞壽命中所占的比例大小，主要取決于加載應(yīng)力的大小。當加載應(yīng)力較大時，第1階段所需的循環(huán)次數(shù)比較少，裂紋幾乎起始于材料表面(圖5(b))，這也與圖3(b)斷口觀察結(jié)果相一致；當加載應(yīng)力較小時，所需的循環(huán)次數(shù)增大，裂紋擴展面積所占比例也較大，但第2階段裂紋擴展面積所占比例最大，約占整個斷裂面的2/3(圖 5(a))。

2.2 裂紋的擴展

不同加載應(yīng)力條件下樣品的疲勞斷口特征見圖7，裂紋擴展區(qū)的高倍掃描電鏡像見圖8。

由圖7可見：斷口分為疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)以及瞬斷區(qū)3部分?？拷鸭y源處，裂紋放射狀明顯，其后裂紋逐漸稀疏，裂紋擴展速度加快，顯示出快速斷裂的形貌特征，出現(xiàn)了明顯的剪切唇。這是因為隨著裂紋長度增大，裂紋張口變大，相同應(yīng)力下裂紋尖端應(yīng)力強度因子幅值?K增大，從而導致裂紋擴展速率增大。比較圖7(a)和圖 7(b)可以看出：隨應(yīng)力的增加，斷口上疲勞裂紋擴展區(qū)的面積減小，瞬斷區(qū)增大。當應(yīng)力為285 MPa時，斷口上的疲勞裂紋擴展區(qū)約占整個斷面的2/3，當應(yīng)力增大到430 MPa時，疲勞裂紋擴展區(qū)的面積則占整個斷面的1/2。這跟裂紋擴展階段與疲勞后期的對應(yīng)比例關(guān)系相吻合(圖7)。

圖 8所示為圖 7中裂紋擴展區(qū)中部位置的高倍SEM像。從圖8可見到裂紋擴展過程中的疲勞輝紋，且輝紋基本是一簇彼此接近平行的紋路，法線方向基本上與該局部地區(qū)的裂紋擴展方向一致。在應(yīng)力為430 MPa時，樣品上的疲勞輝紋間距為400～600 nm，在應(yīng)力為285 MPa時，疲勞輝紋間距為300 nm左右，說明應(yīng)力越大，斷口上疲勞輝紋間距越大。這是因為應(yīng)力越大，裂紋擴展速率越快，每一個加載循環(huán)過程中裂紋擴展延伸的距離越大，裂紋穩(wěn)定擴展階段的面積就越小。同時，由于晶粒的取向不同以及晶界和第2相粒子的存在，會使裂紋的擴展由一個平面轉(zhuǎn)移至另一個平面，在不同區(qū)域內(nèi)觀察到疲勞輝紋分布在不同高度的平面上。

圖7 不同加載應(yīng)力下鋁合金試樣疲勞斷口的形貌Fig.7 Fractographies of fatigue fracture samples under different loads

圖8 不同加載應(yīng)力下裂紋擴展區(qū)的SEM像Fig.8 SEM images of crack propagation sites under different loads

3 結(jié)論

(1) 疲勞裂紋一般在材料表面或靠近表面的位置處萌生，且在疲勞源附近觀察不到疲勞輝紋。隨著應(yīng)力幅值的增大，裂紋源距材料表面的距離減小，這個區(qū)域的面積也減小。

(2) 裂紋形成后，微裂紋沿著與應(yīng)力軸呈45?角的最大切應(yīng)力方向向縱深擴展，然后轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力軸正交的方向擴展，最后瞬斷。當應(yīng)力很大時，第1階段所需的循環(huán)次數(shù)比較少，裂紋幾乎起始于材料表面；當應(yīng)力較低時，它所需的循環(huán)次數(shù)增多，所占比例也較大，但第2階段裂紋擴展所占比例最大，約占整個斷裂面的2/3。

(3) 疲勞斷裂過程中應(yīng)力越高，裂紋擴展區(qū)的疲勞輝紋間距越大，裂紋擴展速率也越大，瞬斷區(qū)面積占總斷面面積的比例也就越大。

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