織構(gòu)對(duì)含鉺鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響

雷 欣，聶祚仁，黃 暉，文勝平

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

0 引 言

鋁鎂系合金是一種重要的鋁合金，具有中等強(qiáng)度、較好的塑性和韌性、良好的耐蝕和焊接性，廣泛應(yīng)用于航空、船舶和國(guó)防工業(yè)[1-3]。

以微合金化的方法向鋁鎂系合金中引入鈧、鋯、餌等微量元素可提高合金強(qiáng)度。由于鋁鎂系合金經(jīng)常處于疲勞工作條件下，這些微量元素的引入對(duì)其耐疲勞性能是否有影響，引起了人們的關(guān)注[4-5]。Watanabe[6]和Roder[7]等研究發(fā)現(xiàn)，在鋁鎂合金中加入鈧，會(huì)影響合金的晶粒尺寸，使合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率出現(xiàn)了明顯的改變。Fuller[8]等研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素鈧在5754鋁合金中形成不同的第二相粒子，從而影響了合金疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。Li[9-10]等認(rèn)為，在鋁鎂鈧合金中，Al3(Sc,Zr)粒子可阻止合金疲勞裂紋的擴(kuò)展，而Al6Mn第二相粒子會(huì)加速合金疲勞裂紋的擴(kuò)展。鈧的價(jià)格相對(duì)較貴，而與鈧類似的鉺卻很便宜，因此聶祚仁[11-12]等在鋁鎂合金中添加鉺元素，發(fā)現(xiàn)餌在合金中的作用跟鈧類似，可有效地提高了鋁鎂合金的強(qiáng)度，同時(shí)還大幅降低了成本。

但目前對(duì)含鉺的鋁鎂系合金疲勞性能方面的研究并不多。為此，作者針對(duì)不同軋制及熱處理工藝狀態(tài)下的含鉺鋁鎂系合金，進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，通過(guò)觀察和分析疲勞裂紋在合金板材中擴(kuò)展路徑和合金織構(gòu)的關(guān)系，研究了合金板材中織構(gòu)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)合金為含鉺鋁合金板材，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為6.11 Mg,0.50 Mn,0.20 Er,0.18 Zr，余Al。將合金鑄錠于470℃保溫20 h進(jìn)行均勻化退火，退火結(jié)束后進(jìn)行熱軋，熱軋溫度為410℃，下壓量為80%，得到10 mm厚的熱軋板材；再將此熱軋板材于 350℃保溫2 h，空冷后進(jìn)行60%下壓量的冷軋，得到4 mm厚冷軋板材；將4 mm厚板材分別進(jìn)行如下處理：于350℃保溫2 h（完全退火O狀態(tài)）、170℃保溫2 h（中溫退火H32狀態(tài)）、230℃保溫6 h后以25%壓下量冷軋(中溫退火加冷軋H116狀態(tài))，最后全部空冷至室溫。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)試采用中心裂紋M(T)試樣，具體尺寸如圖1所示。沿軋制方向取樣及加載。測(cè)試規(guī)程按照GB/T 6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》。加載正弦波，應(yīng)力比R為0.1，頻率為15 Hz，試驗(yàn)條件為室溫，大氣環(huán)境。

采用S-3400NⅡ型掃描電鏡(SEM)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行觀察；用體積分?jǐn)?shù)為10%的HClO3和90%的乙醇溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解拋光，通過(guò)電子背散射衍射(EBSD)儀對(duì)含鉺鋁鎂合金板材進(jìn)行微觀組織觀察，根據(jù)板材中各晶粒的取向進(jìn)行微觀織構(gòu)分析，重點(diǎn)分析等典型軋制織構(gòu)的分布情況，并利用晶粒取向與軸向載荷之間的關(guān)系，對(duì)板材中裂紋周邊區(qū)域進(jìn)行Schmid因子分析。

圖1 M(T)試樣的尺寸Fig.1 Geometry of the M(T) specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK的變化曲線如圖2所示，曲線分為三個(gè)階段：近門(mén)檻值區(qū)、Paris區(qū)和瞬斷區(qū)。從圖2可以看出，三種不同熱處理狀態(tài)鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展在近門(mén)檻值區(qū)的區(qū)別不大，基本處于應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK=8 MPa·m1/2以下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率范圍為10-5～10-4mm·周次-1，但在近門(mén)檻值區(qū)其疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增速均較快，疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線的斜率也都比較大。在疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段的Paris區(qū)，其裂紋呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，并且從該區(qū)域開(kāi)始H116態(tài)鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最快，H32態(tài)居中。就曲線斜率來(lái)看，O態(tài)鋁合金板材的，在這一階段是最小的，H116態(tài)鋁合金板的則較大。進(jìn)入瞬斷區(qū)后，三種鋁合金板材的裂紋很快失穩(wěn)擴(kuò)展，板材發(fā)生瞬間斷裂。

圖2 不同熱處理狀態(tài)鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的關(guān)系曲線Fig.2 Fatigue crack propagation rate vs stress intensity factor range(△K) for Al alloy plates under different heat treatment conditions

2.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑

從圖3可見(jiàn)，不同熱處理狀態(tài)下鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑區(qū)別較大。H116狀態(tài)合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑基本保持平直；H32狀態(tài)合金板材的裂紋擴(kuò)展路徑稍有偏折，但明顯不如O狀態(tài)合金板材偏折厲害；O狀態(tài)合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑非常曲折，裂紋偏折的幅度也較大。在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋偏折得越厲害，則其擴(kuò)展所消耗的能量就越大，裂紋擴(kuò)展路徑就越長(zhǎng)，疲勞裂紋擴(kuò)展也會(huì)越困難，擴(kuò)展速率也就越慢；反之，裂紋擴(kuò)展路徑越平直，擴(kuò)展過(guò)程中所消耗的能量就越小，擴(kuò)展路徑也就越短，裂紋擴(kuò)展速率也會(huì)越快。所以O(shè)狀態(tài)鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率應(yīng)該是最慢的，H116狀態(tài)鋁合金板材其疲勞裂紋擴(kuò)展速率是最快的。這與前面討論的疲勞裂紋擴(kuò)展速率結(jié)果一致。

圖3 不同熱處理狀態(tài)鋁合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑Fig.3 Fatigue crack paths of Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展路徑上的Schmid因子

利用EBSD儀對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑及周圍區(qū)域進(jìn)行分析，根據(jù)各個(gè)晶粒的不同取向得到該區(qū)域的Schmid因子分布圖。由圖4可見(jiàn)，無(wú)論是裂紋擴(kuò)展路徑最曲折的O狀態(tài)鋁合金板材，還是裂紋擴(kuò)展路徑較為平直的H116狀態(tài)合金板材，其裂紋都傾向于沿著Schmid因子較大的方向擴(kuò)展。

Schmid因子越大，取向越軟，滑移所需的軸向應(yīng)力也越小，即最容易滑移，裂紋傾向沿Schmid因子大的方向擴(kuò)展，也就是裂紋傾向于沿所需軸向應(yīng)力較小的最易滑移面運(yùn)動(dòng)[13]。但裂紋沿最易滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于不同取向的晶粒，在同一個(gè)外力作用下，其滑移面和滑移方向各有不同，裂紋從一個(gè)晶粒的滑移面向另一個(gè)晶粒的滑移面擴(kuò)展時(shí)，就需要改變一定的方向繼續(xù)向前進(jìn)行擴(kuò)展，那么裂紋就會(huì)發(fā)生一定的偏折。

圖4 不同狀態(tài)鋁合金板材的Schmid因子分布Fig.4 Schmid factor distribution in Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

2.4 織構(gòu)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

由圖5和表1可見(jiàn)，H116和H32狀態(tài)鋁合金板材內(nèi)部的晶粒取向均出現(xiàn)不同程度的擇優(yōu)取向，晶粒表現(xiàn)出各向異性；其中H116狀態(tài)鋁合金板材的軋制變形量較大，出現(xiàn)了大量典型的軋制板織構(gòu)，如；H32狀態(tài)鋁合金板材也出現(xiàn)了典型的軋制織構(gòu)，但含量少于H116狀態(tài)的O狀態(tài)鋁合金板材中晶粒分布呈各向同性，幾乎沒(méi)出現(xiàn)擇優(yōu)取向。

圖5 不同熱處理狀態(tài)鋁合金板材中織構(gòu)分布形貌Fig.5 Distribution of texture in Al alloy plates under different heat treatment conditions:(a) H116 state；(b) H32 state and(c) O state

表1 不同熱處理狀態(tài)鋁合金板材中各織構(gòu)類型的含量（面積分?jǐn)?shù)）Tab.1 Contents of different types of texture in Al alloy under different heat treatment conditions(area) %

由圖6可見(jiàn)，存在大量織構(gòu)的H116狀態(tài)鋁合金板材中，由于其內(nèi)部晶粒擇優(yōu)取向，所以相同織構(gòu)內(nèi)晶粒取向基本相同，大多數(shù)晶粒的取向差角都較小，相同織構(gòu)內(nèi)晶粒的滑移面取向也不會(huì)偏差太大。裂紋沿著滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于晶粒間的取向差角較小，相鄰晶?；泼娴娜∠虿罱且残?，裂紋從一個(gè)晶粒擴(kuò)展到另一個(gè)晶粒時(shí)，則不需要發(fā)生太大的偏折，裂紋擴(kuò)展路徑會(huì)表現(xiàn)得較為平直。較小的裂紋偏折降低了能耗，縮短了裂紋擴(kuò)展路徑，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率較快。

與H116狀態(tài)鋁合金板材相比，H32狀態(tài)鋁合金板材中織構(gòu)較少，含較大角度取向差角也較多。相鄰晶粒取向差角大，裂紋在兩晶粒間擴(kuò)展就需要發(fā)生較大的偏折[14]，取向差角大的晶粒數(shù)量越多，裂紋擴(kuò)展所發(fā)生的偏折次數(shù)越多。H32狀態(tài)鋁合金板材中取向差角較大的晶粒較H116狀態(tài)的多，裂紋發(fā)生偏折也會(huì)多一些，所以裂紋路徑也不如H116狀態(tài)的平直，且偏折較多，耗能較大，裂紋擴(kuò)展路徑較長(zhǎng)，所以疲勞裂紋擴(kuò)展速率也會(huì)較H116狀態(tài)的慢。

O狀態(tài)鋁合金板材中幾乎沒(méi)有織構(gòu)存在，各晶粒取向隨機(jī)分布，不存在擇優(yōu)取向，所以兩相鄰晶粒間取向一般不會(huì)太相似，晶粒間取向差角多數(shù)較大。O狀態(tài)鋁合金板材中，取向差較大的晶粒多，則裂紋發(fā)生較大的偏折的次數(shù)也越多，裂紋擴(kuò)展路徑也最為曲折，裂紋擴(kuò)展所消耗能量大且擴(kuò)展路徑也最長(zhǎng)，所以疲勞裂紋擴(kuò)展速率也最慢。這與之前疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試結(jié)果相一致。

2.5 疲勞裂紋擴(kuò)展模型

三種不同狀態(tài)板材的疲勞裂紋擴(kuò)展模型如圖7所示。H116狀態(tài)鋁合金板材中織構(gòu)含量最多，疲勞裂紋擴(kuò)展速率較快，如圖7(c)所示；H32狀態(tài)鋁合金板材中也含有織構(gòu)，但含量少于H116狀態(tài)板材的，所以疲勞裂紋擴(kuò)展速率較H116板材要慢，如圖7(b)所示；O狀態(tài)鋁合金中幾乎沒(méi)有大面積織構(gòu)，裂紋擴(kuò)展速率最慢，如圖7(a)所示。

3 結(jié) 論

(1) 含鉺鋁鎂合金板材中織構(gòu)隨軋制及熱處理工藝的改變而變化，隨著鋁合金板材軋制變形量的增加，板材中織構(gòu)的含量急劇增加；退火溫度越高，板材中織構(gòu)含量越少。

圖6 不同狀態(tài)鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展路徑與晶粒間取向差角分布Fig.6 Fatigue crack propagation path(a,c,e) and misorientation angle distribution(b,d,f) for Al alloy under different heat treatment conditions

圖7 不同熱處理狀態(tài)鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展模型Fig.7 Models of fatigue crack propagation for Al alloy under different heat treatment conditions:(a) O state；(b) H32 state and(c) H116 state

(2) 含鉺鋁合金板材中疲勞裂紋總是傾向于沿Schmid因子較大的方向擴(kuò)展，沿所需軸向應(yīng)力較小的最易滑移面運(yùn)動(dòng)。

(3) 含鉺鋁合金板材中織構(gòu)強(qiáng)烈影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率；板材中織構(gòu)越多，則晶粒間取向差角越小，疲勞裂紋偏折角度越小，能量消耗越少，裂紋擴(kuò)展路徑越短，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快；合金板材中織構(gòu)越少，晶粒間取向差角越大，疲勞裂紋偏折越厲害，能量消耗越大，裂紋擴(kuò)展路徑越長(zhǎng)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越低。

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