高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞起裂機理及應力比的影響研究

鄧彩艷，祝漢基，劉秀國，李建宏，張?濤，牛得田

高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞起裂機理及應力比的影響研究

鄧彩艷1, 2，祝漢基1，劉秀國1, 2，李建宏1，張?濤3，牛得田3

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室，天津 300350；3. 國家高速列車技術創(chuàng)新中心，青島 266111)

分別對7050-T7451鋁合金母材及其攪拌摩擦焊接頭進行高周疲勞試驗，獲得了應力比為0.1、0.3和0.5下母材與接頭的S-N曲線，借助掃描電鏡分析母材與接頭斷口區(qū)域的微觀形貌，并進一步探究了粗大第2相對疲勞行為的影響．據(jù)此，Al23CuFe4、Al7Cu2Fe和Al2Mg3Zn3是首選的接頭裂紋起始點，而Mg2Si是母體材料的主要斷裂起始點，裂紋傾向于沿著密集的粗大第2相傳播，對于較大的裂紋來說變得更加明顯．根據(jù)實驗觀察，可以確定兩種不同的裂紋形核機制分別為裂紋在粗大第2相的主體中形核和裂紋在第2相和基體的界面上出現(xiàn)．第1種形核機制主要出現(xiàn)在Mg2Si中，第2種形核機制則以Al23CuFe4、Al7Cu2Fe和Al2Mg3Zn3等白色第2相為主，又因為母材和焊縫的粗大第2相存在顯著差異，所以，需要對不同相在焊縫和母材中的差異進行針對性分析，以此來確定接頭與母材試樣疲勞起裂機理的異同．結果表明，低應力比下，與基體連接緊密的白色第2相產生的應力集中低于母材的屈服強度，故與母材連接較弱的Mg2Si相成為母材疲勞裂紋萌生的主要位置，而焊縫中由于熱機械作用使得白色第2相粗化，其完整性相對母材中的白色第2相顯著降低，進而成為裂紋萌生的主要位置．隨應力比增加，白色第2相產生的應力集中增加，母材和焊縫中白色第2相成為裂紋萌生位置的數(shù)量逐漸增加．

7050-T7451鋁合金；攪拌摩擦焊(FSW)；應力比；粗大第2相；疲勞行為

7系高強鋁合金因具有密度低、強度高、抗腐蝕能力強等特點，被廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域[1]．但是鋁合金由于其極易被氧化、導熱率大，采用普通的熔化焊要較大的熱量輸入且難以得到較為優(yōu)質的焊接接頭．攪拌摩擦焊(FSW)技術的出現(xiàn)解決了上述難題，使得焊接性較差的高強鋁合金得以廣泛應用[2-5]．由于工件在實際服役過程中往往需要承受一定的非對稱交變載荷，疲勞斷裂成為構件失效的主要形式，因此高強鋁合金及其焊接接頭的疲勞性能是影響結構安全可靠的關鍵因素[6-8]．高強度鋁合金在航空、高鐵等結構輕量化、節(jié)能減排方面具有不可替代性，所以對高強鋁合金疲勞行為的研究實為重中之重．

高強鋁合金的強化多通過第2相粒子的添加實現(xiàn)，但是近年研究表明，高強鋁合金中的粗大第2相同樣在疲勞行為中起著重要的作用．鄭子樵等[9]研究了第2相粒子對2524-T34鋁合金板材疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋主要在第2相粒子以及第2相粒?子/基體界面處萌生．Payne 等[10]研究發(fā)現(xiàn)第2相幾乎是引起疲勞開裂的唯一原因，但大多數(shù)疲勞裂紋在含F(xiàn)e第2相處起裂，Mg2Si相不是有效的裂紋萌生位置．從現(xiàn)有情況來看，研究者大多關注的是母材的疲勞性能，而關于粗大第2相對攪拌摩擦焊接頭高周疲勞行為影響的相關研究鮮有報道．

本文分別對7050-T7451鋁合金母材及其攪拌摩擦焊接頭試件進行不同應力比下的高周疲勞試驗，通過觀察疲勞斷口表面與側面的微觀形貌，分析粗大第2相對母材及其接頭疲勞裂紋萌生行為的影響，并對比異同．

1?試驗材料及方法

試驗所用材料為可熱處理強化鋁合金7050-T7451軋制板材，規(guī)格為12mm×1500mm×3000mm．其化學成分和機械性能如表1和表2所示．采用攪拌摩擦焊方法將兩塊尺寸為700mm×70mm×12mm的平板進行對接，攪拌頭呈螺紋圓錐狀．采用I型坡口形式，焊接方向平行于板材軋制方向，具體焊接工藝參數(shù)如表3所示．

表1?7050-T7451鋁合金化學成分

Tab.1?Chemical composition of 7050-T7451 aluminum alloy %

表2?7050-T7451鋁合金機械性能

Tab.2?Mechanicalpropertiesof 7050-T7451 aluminum alloy

表3?攪拌摩擦焊工藝參數(shù)

Tab.3?Friction stir welding parameters

疲勞試驗在GPS200高頻疲勞試驗機上進行，應力比()分別為0.1、0.3和0.5，對每個試樣進行標記，如序號“M-1-1”代表母材在0.1應力比下的第1個疲勞試樣，序號“J-3-3”代表FSW接頭在0.3應力比下的第3個疲勞試樣．單軸加載頻率為(100±5)Hz，試驗在室溫環(huán)境下進行．接頭試件在取樣前通過腐蝕找到焊縫具體位置，并對前進側和后退側進行標記．然后以焊縫為中心取疲勞試件，試件形狀為中間等截面圓柱狀，以保證各區(qū)域處于同一應力水平．夾持端采用螺紋形式進行連接．此外，為了減少表面粗糙度對疲勞裂紋萌生的影響，在機加工時對試樣表面進行拋光處理，使其表面粗糙度在a＝0.1以下．若循環(huán)次數(shù)達到1×107時試件仍未斷裂，則認為該應力水平達到或低于疲勞極限并手動停止試驗．通過掃描電鏡觀察疲勞斷口及試件表面疲勞裂紋擴展痕跡．

2?試驗結果

2.1?7050-T7451鋁合金的微觀組織

圖1(a)所示為7050-T7451板材軋制方向上的金相組織，可以看出，晶粒由于受到壓力作用而呈薄餅狀，并且沿軋制方向伸長，第2相粒子在金相圖中以黑色顆粒形式呈現(xiàn)．結合SEM結果(圖1(b))顯示：合金中分布著大量微米級別的粗大第2相粒子，有白色和灰黑色兩種，其中許多第2相粒子呈鏈狀分布．

圖1?7050-T7451鋁合金的顯微組織

利用背散射掃描(BSE)和能譜(EDS)技術區(qū)分不同粗大第2相，測試結果表明：圖1(b)中灰黑色的粗大第2相為Mg2Si，白色的粗大第2相中含有Al、Fe、Cu、Mg、Zn等元素，通過原子數(shù)標定發(fā)現(xiàn)白色第2相主要為Al23CuFe4、Al7Cu2Fe、Al2Mg3Zn33種，這與李亞等[11]的觀察結果相同．EDS結果如表4所示.

表4?第2相化學成分

Tab.4?Chemical composition of the secondary phases

2.2?疲勞S-N曲線

母材與接頭對應的雙對數(shù)坐標下的最大應力-壽命(S-N)曲線如圖2所示，試驗結果表明：對于母材試樣，當循環(huán)數(shù)次為1×107時，應力比為0.1、0.3和0.5時所對應的疲勞強度分別為254.5MPa、228.0MPa和175.0MPa．對于FSW接頭試樣，當循環(huán)次數(shù)為1×107時，應力比為0.1、0.3和0.5時所對應的疲勞強度分別為193.5MPa、177.5MPa和138.5MPa．隨著應力比的增加，母材和FSW接頭的疲勞強度均是降低的，但降低的幅度不同．同一應力比下，F(xiàn)SW接頭的疲勞強度始終低于母材，在為0.1、0.3和0.5 3種應力比下，F(xiàn)SW接頭的疲勞強度相對母材分別下降了23.97%、22.14%和20.86%.無論是母材還是FSW接頭，從＝0.1到＝0.3，疲勞強度的下降幅度在10%左右；從＝0.3到＝0.5，疲勞強度的下降幅度在20%以上．

圖2?母材與接頭S-N曲線

這是由于在低應力時，交變載荷較低，產生的應力集中較小，材料有較高的疲勞壽命[12]．隨應力比的增加，產生的應力集中增大，隨之帶來材料的疲勞壽命降低．相較于母材，焊縫組織更加不均勻．所以應力比的增大帶來的疲勞壽命的降低在接頭試樣中更明顯．

3?起裂機理分析

3.1?起裂結果分析

為了探究母材和接頭的斷裂機理，采用掃描電鏡對疲勞斷口進行觀察分析．對本次試驗結果進行統(tǒng)計后分析發(fā)現(xiàn)：在母材和FSW接頭一共96個疲勞斷口中，91個為粗大第2相起裂，占比約95.0%．因此，粗大第2相起裂是7050-T7451高強鋁合金母材及其FSW接頭試樣最主要的疲勞裂紋萌生方式．然而母材與接頭斷口中起裂第2相的種類卻不相同，由于在本試驗中觀察到7050-T7451鋁合金中只有Mg2Si相為灰黑色，其他所有非Mg2Si相皆為白色，為了便于后續(xù)的統(tǒng)計分析，本文便將7050-T7451鋁合金中的粗大第2相分為灰黑色的Mg2Si相和其他的白色非Mg2Si相即白色第2相兩大類．其中在母材試樣的42個斷口中Mg2Si相起裂占比為83.3%，而接頭試樣的49個斷口中則有77.6%為白色第2相起裂．可見對于母材試樣來說，灰黑色的Mg2Si相是其主要起裂相；而FSW接頭試樣則往往從白色的非Mg2Si相處起裂．具體統(tǒng)計結果如圖３所示．

圖3?母材和FSW接頭起裂相統(tǒng)計結果

與粗大第2相有關的疲勞裂紋萌生有多種方式，許多研究者對此進行了大量的探究[13]．研究發(fā)現(xiàn)，粗大第2相的裂紋萌生主要有內部開裂、第2相與基體界面分離開裂、距離第2相一定范圍的滑移帶起裂以及在未分離界面直接萌生裂紋等方式．為了更好地分析7050-T7451鋁合金中第2相的疲勞裂紋萌生機理，首先需要探究粗大第2相本身的裂紋形核機制．

3.2?粗大第2相形核機制

采用背散射衍射技術對母材和FSW接頭的疲勞斷口側面以及達到一定循環(huán)周次后未發(fā)生疲勞失效的試樣側面的第2相形態(tài)進行了觀察，發(fā)現(xiàn)試樣表面的粗大第2相確實是最容易形成微裂紋的部位，結合觀察到的結果發(fā)現(xiàn)粗大第2相的形核機制主要為第2相內部開裂．

在所有觀察到的開裂第2相中，無論是Mg2Si相還是其他非Mg2Si相都主要以內部開裂形核為主．圖4為母材與FSW接頭中第2相內部開裂形核形貌圖，圖4(a)和4(b)所示分別為母材中微裂紋在Mg2Si相和白色第2相內部開裂形核的情況，微裂紋先在粗大第2相的內部開裂然后向基體中擴展．圖4(c)和4(d)分別為FSW接頭中微裂紋在Mg2Si相和白色第2相內部開裂形核的情況．

圖4?母材與FSW接頭中第2相內部開裂形核

Mg2Si相是Mg-Si二元合金中唯一穩(wěn)定的金屬間相，它具有熔點高和彈性模量高等特點，其晶體結構為面心立方，在背散射鏡頭下呈深灰色，密度為1.99g/cm3，硬度(室溫)為450HV，彈性模量(室溫)為120GPa[14]．雖然Mg2Si相具有良好的力學性能，但它存在致命的弱點，Mg2Si相存在嚴重的室溫脆性，其在室溫下的延伸率幾乎為0．所以在高應力的作用下，第2相內部會產生較大的應力集中現(xiàn)象，當應力集中達到一定程度時，微裂紋就會在第2相內部產生，而白色第2相與基體結合更緊密，在母材中開裂的比例較?。贔SW接頭中TMAZ以及部分HAZ處的粗大第2相受到焊接過程的影響較大，粗大第2相發(fā)生了一定程度的溶解和粗化現(xiàn)象，這種粗化溶解對白色第2相的影響更加明顯．對比圖4(b)和4(d)，可以看出FSW接頭試樣上白色第2相的完整性發(fā)生了很大的變化，使得微裂紋更容易在第2相內部形核，同時又因為Si元素在基體中的含量少，Mg2Si相的含量也相對較少，所以出現(xiàn)接頭試樣中以其他白色第2相為主要起裂源這一現(xiàn)象，類似這種使第2相出現(xiàn)裂紋進而影響疲勞性能的現(xiàn)象與預拉伸破壞第2相的機理基本相同[15]．

3.3?疲勞裂紋萌生機制

從圖3起裂相的統(tǒng)計結果來看，母材試樣的主要起裂相為Mg2Si．由于其物理特性，Mg2Si相成為7050-T7451高強鋁合金母材主要疲勞裂紋萌生源的重要因素之一．為了更好地研究Mg2Si相的起裂機制，首先對母材表面原始狀態(tài)的Mg2Si相進行觀察．圖5所示為母材試樣表面粗大第2相形態(tài)，從圖中可以清楚地看出，Mg2Si相和基體之間的結合較弱，在其連接處存在空隙且在第2相內部存在許多微裂紋(圖5(b))，Mg2Si相相對于基體呈現(xiàn)凹陷狀態(tài)，而白色第2相與基體結合較為緊密，在第2相內部也沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋的存在，這是Mg2Si相和其他白色第2相在疲勞裂紋萌生機制上存在差異的重要原因之一．

圖5?母材試樣表面粗大第2相形態(tài)

圖6(a)所示為母材中Mg2Si相起裂的疲勞斷口形貌，當承受一定的外加載荷時，Mg2Si相由于具有室溫脆性使其內部出現(xiàn)了一定程度的開裂現(xiàn)象．存在間隙是起裂Mg2Si相的鮮明特征，不僅在Mg2Si和基體的結合面處會出現(xiàn)一些間隙，在第2相內部也出現(xiàn)了由于破裂形成的空隙，這些因素都顯著減弱了Mg2Si相的強化作用．因此在外加載荷作用下，Mg2Si相的弱特性導致了基體和Mg2Si相產生界面脫粘，在脫粘孔的邊緣由于形狀不規(guī)則出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，進而引發(fā)了疲勞裂紋的萌生．

圖6?母材與接頭疲勞斷口形貌

由此得出結論：由于Mg2Si相具有室溫脆性且與基體結合較弱，所以第2相內部發(fā)生的開裂會促進Mg2Si相的脫粘，內部開裂裂紋不易擴展到基體中去，而脫粘孔邊緣的應力集中才是引起疲勞裂紋的主導因素．因此將Mg2Si相的起裂機制歸為界面脫粘型起裂．

非Mg2Si的白色第2相是7050-T7451鋁合金FSW接頭中主要的起裂相．這類第2相的內部非常致密，只有在承受較大拉應力或完整性發(fā)生改變時，這些白色第2相的內部才會出現(xiàn)微裂紋．此外，白色第2相和基體的結合作用也較好，基本不會出現(xiàn)類似于Mg2Si相的弱連接現(xiàn)象，如圖5(b)所示，在白色第2相和基體的結合面處沒有發(fā)現(xiàn)空隙存在．在所有由白色第2相起裂的45個疲勞斷口中，沒有發(fā)現(xiàn)因為第2相和基體脫粘而引起疲勞開裂的現(xiàn)象．白色起裂相的形態(tài)相對完好，斷口中的白色第2相大多與基體處于同一平面上．

圖6(b)為FSW接頭失效樣本中的斷口形貌. 如圖所示，疲勞微裂紋從白色第2相內部萌生并擴展，但是白色第2相與基體界面仍然結合緊密，未出現(xiàn)如Mg2Si一樣的脫粘現(xiàn)象．將圖6與母材側面的白色第2相形態(tài)(圖7)進行對比可以看出，F(xiàn)SW接頭試樣中的白色第2相受到焊接過程摩擦熱和攪拌作用的影響，第2相的完整性發(fā)生了改變且內部存在大量細小的微裂紋，微裂紋逐步擴展到界面處，同時因為白色第2相和基體連接緊密，所以微裂紋相對容易越過結合面，進而擴展到基體中去，這種裂紋的擴展速度要大于脫粘型凹坑邊緣的裂紋萌生速度．因此可得出結論，即白色第2相內部開裂型起裂是7050-T7451鋁合金FSW接頭疲勞裂紋萌生的主要機制．

圖7?FSW接頭試樣側面白色第2相形態(tài)

根據(jù)Liu等[16]的研究，Mg2Si相為主導界面脫黏型起裂，內部的微裂紋不易擴展至基體中．而內部起裂的白色第2相，由于其與基體連接緊密，裂紋可以從第2相直接擴展到基體中．所以，在母材中，白色第2相形貌完整，不易起裂，Mg2Si相便成為了母材中的主要起裂相．而在焊縫中，F(xiàn)SW的熱機械作用弱化了白色第2相，所以焊縫中的主要起裂相為白色第2相．

3.4?應力比對疲勞行為的影響

為了探究應力比對疲勞性能的影響，首先根據(jù)起裂第2相隨應力比的變化規(guī)律得出應力比與第2相起裂機制之間的關系．表5為母材和FSW接頭在不同應力比下起裂相種類和數(shù)量的統(tǒng)計結果，數(shù)據(jù)顯示母材和FSW接頭在起裂相種類分布上呈現(xiàn)出完全相反的趨勢，母材試樣以Mg2Si相起裂為主，白色第2相起裂只占一小部分；而FSW接頭試樣以白色第2相起裂為主，Mg2Si相起裂占比較小.

表5?起裂第2相統(tǒng)計結果

Tab.5?Statistical results of the secondary phases

通過表5發(fā)現(xiàn)，對于母材試樣來說，隨著應力比的增加，Mg2Si相起裂的數(shù)量變化不大，其他白色第2相起裂的數(shù)量逐漸增多，也即白色第2相對母材試樣疲勞裂紋萌生的影響隨應力比的增加而增大，說明應力比對白色第2相主導的界面型起裂機制影響更明顯．其原因為母材試樣中的白色第2相完整性較好，其內部不易產生裂紋，當應力狀態(tài)較小時，白色第2相和基體界面的應力集中程度達不到母材的屈服強度值．隨著應力比的增加，雖然母材受到的最大應力仍處于基體屈服強度以下，但白色第2相和基體界面處的應力集中程度變大，當界面處的應力集中達到基體屈服強度時會出現(xiàn)變形不協(xié)調現(xiàn)象，導致疲勞裂紋萌生的概率隨之增加，但白色第2相界面型起裂的比例低于Mg2Si相的脫粘型起裂，所以母材試樣仍以Mg2Si相的脫粘型起裂為主，白色第2相界面起裂的比例會隨應力比即最大應力的增大而增大．

對于FSW接頭試樣，隨著應力比的增大，Mg2Si相起裂的情況減少，Mg2Si對于FSW接頭試樣疲勞裂紋萌生的影響越來越小，而由其他白色第2相起裂的比重越來越大．其原因為FSW過程中產生的熱機械作用使得FSW接頭組織和粗大第2相粒子的性質都發(fā)生了改變：一方面，F(xiàn)SW接頭部分區(qū)域出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，部分區(qū)域的屈服強度值嚴重降低；另一方面，粗大第2相的完整性發(fā)生了變化，導致粗大第2相在疲勞加載前或處于很低的應力水平下其內部就會發(fā)生開裂，而且應力比越大，白色第2相內部開裂的速度和概率就越大，白色第2相和基體界面處的應力集中也很容易超過軟化區(qū)的屈服強度值．當然，焊接過程中的熱和力對Mg2Si相的影響同樣很大，但是這種外力只會促使Mg2Si相更容易脫粘，而脫粘型起裂機制的疲勞萌生速度要小于內部開裂型起裂機制，同時又因為基體中的Si元素含量較少，所以基體中Mg2Si相的含量也相對較少．因此白色第2相內部開裂引發(fā)疲勞裂紋萌生的概率要大于脫粘型起裂和界面型起裂，而且應力比越大，這種現(xiàn)象越明顯．總之，對于FSW接頭試樣，白色第2相的預開裂是首要條件，其次才是最大應力隨著應力比的增加而增加，這進一步促使了白色第2相的內部開裂和疲勞裂紋的萌生．

4?結?論

(1) 對于母材試樣，當循環(huán)次數(shù)為1×107時，應力比為0.1、0.3和0.5所對應的疲勞強度分別為254.5MPa、228.0MPa和175.0MPa，同一條件下FSW接頭試樣的疲勞強度則為193.5MPa、177.5MPa和138.5MPa，相對母材分別下降了23.97%、22.14%和20.86%．無論是母材還是FSW接頭，從＝0.1到＝0.3，疲勞強度的下降幅度在10%左右；從＝0.3到＝0.5，疲勞強度的下降幅度在20%以上．

(2) 近表面的粗大第2相是引發(fā)疲勞裂紋萌生的主要因素，微裂紋在第2相中形核，進而向基體中擴展最終導致疲勞失效．在7050-T7451鋁合金母材及其FSW接頭中主要為第2相內部開裂形核機制，該機制在Mg2Si相和其他含F(xiàn)e白色第2相中普遍?存在．

(3) 母材和接頭試樣中導致裂紋萌生的第2相種類不同，Mg2Si相界面脫粘型起裂是7050-T7451鋁合金母材疲勞裂紋萌生的主要機制，受熱機械作用而粗化白色第2相內部開裂型起裂是7050-T7451鋁合金FSW接頭疲勞裂紋萌生的主要機制．

(4) 隨應力比的增加，白色第2相對母材和接頭試樣疲勞裂紋萌生的影響增大，從＝0.1到＝0.5，白色第2相開裂的母材占比從0增加到33.3%，接頭占比從70.6%增加到93.8%．

［1］Cam G，Ipekoglu G.Recent developments in joining of aluminum alloys[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，91：1851-1866.

［2］Threadgill P L，Leonard A J，Shercliff H R，et al. Friction stir welding of aluminum alloys[J]. International Materials Reviews，2009，54(2)：49-93.

［3］Dursun T，Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminum alloys[J]. Materials & Design，2014，56：862-871.

［4］Wang D Y，F(xiàn)eng J C，Guo D L，et al. Process of friction-stir welding high-strength aluminum alloy and mechanical properties of joint[J]. China Welding，2004，13(2)：159-162.

［5］鄧彩艷，李建宏，龔寶明，等. 熱處理前后7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接頭超高周疲勞行為研究[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2021，54(11)：1139-1144.

Deng Caiyan，Li Jianhong，Gong Baoming，et al. Very high cycle fatigue behaviors of friction stir welded joints of 7050-T7451 aluminium alloy before and after heat treatment[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2021，54 (11)：1139-1144(in Chinese).

［6］Ma Z Y，F(xiàn)eng A H，Chen D L，et al. Recent advances in friction stir welding/processing of aluminum alloys：Microstructural evolution and mechanical properties[J]. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences，2018，43(4)：269-333.

［7］劉秀國，劉子欣，王東坡，等. 超聲沖擊 Q355 鋼疊形缺陷的形成及對疲勞性能的影響[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2022，55 (9)：933-941.

Liu Xiuguo，Liu Zixin，Wang Dongpo，et al. Formation mechanism of fold defects and their effect on fatigue properties in ultrasonic impact treatment Q355 steel[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2022，55(9)：933-941(in Chinese).

［8］Sun G Q，Wang C W，Wei X H，et al. Study on small fatigue crack initiation and growth for friction stir welded joints[J]. Materials Science and Engineering：A，2019，739：71-85.

［9］鄭子樵，陳圓圓，鐘利萍，等. 2524-T34合金疲勞裂紋的萌生和擴展行為[J]. 中國有色金屬學報，2010，20(1)：37-42.

Zheng Ziqiao，Chen Yuanyuan，Zhong Liping，et al. Initiation and propagation behavior of fatigue crack in 2524-T34 alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2010，20(1)：37-42(in Chinese).

［10］Payne J，Welsh G，Christ Jr R J，et al. Observations of fatigue crack initiation in 7075-T651[J]. International Journal of Fatigue，2010，32(2)：247-255.

［11］李?亞，鄧運來，張?勁，等. 7050鋁合金第2相溶解行為[J]. 材料工程，2020，48(4)：116-122.

Li Ya，Deng Yunlai，Zhang Jin，et al. Dissolution behaviors of the second phases on 7050 aluminum alloy[J]. Journal of Materials Engineering，2020，48(4)：116-122(in Chinese).

［12］Liu X L，Sun C Q，Hong Y S. Effects of stress ratio on high-cycle and very-high-cycle fatigue behavior of a Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2015，622：228-235.

［13］Merati A. A study of nucleation and fatigue behavior of an aerospace aluminum alloy 2024-T3[J]. International Journal of Fatigue，2005，27(1)：33-44.

［14］Frommeyer G，Beer S，von Oldenburg K. Microstructure and mechanical properties of mechanically alloyed intermetallic Mg2Si-Al alloys[J]. Zeitschrift fürMet-allkunde，1994，85(5)：372-377.

［15］White B C，White R E，Jordon J B，et alThe effect of tensile pre-straining on fatigue crack initiation mechanisms and mechanical behavior of AA7050 friction stir welds[J]. Materials Science and Engineering：A，2018，736：228-238.

［16］Liu Y，Deng C Y，Gong B M，et al. Effects of heterogeneity and coarse secondary phases on mechanical properties of 7050-T7451 aluminum alloy friction stir welding joint[J]. Materials Science and Engineering：A，2019，764：138223.

Fatigue Cracking Mechanism of a High-Strength Aluminum Alloy Friction Stir Welded Joint and Influence of Stress Ratio

Deng Caiyan1, 2，Zhu Hanji1，Liu Xiuguo1, 2， Li Jianhong1，Zhang Tao3，Niu Detian3

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China；3. National Innovation Center of High-Speed Train，Qingdao 266111，China)

High-cycle fatigue tests were carried out on a 7050-T7451 aluminum alloy base material and its friction stir welded joints. The S-N curves of the base material and the joint at stress ratios of 0.1，0.3，and 0.5 were obtained. The microscopic morphology of the base material and the fracture area of the joint was analyzed by scanning electron microscopy，and the influence of the coarse secondary phase on the fatigue behavior was further investigated. The results indicate that Al23CuFe4，Al7Cu2Fe，and Al2Mg3Zn3were the preferred joint crack initiation locations，whereas Mg2Si was the major fracture initiation point of the base material. Furthermore，cracks tended to propagate along dense coarse secondary phases，and hence larger cracks were more pronounced.From experimental observations，two distinct crack nucleation mechanisms can be identified：cracks nucleate in the bulk of the coarse secondary phase and those emerge at the interface between the secondary phase and matrix. The first nucleation mechanism is mainly found in Mg2Si，whereas the second nucleation mechanism is dominated by white secondary phases (e.g.，Al23CuFe4，Al7Cu2Fe，and Al2Mg3Zn3). The differences between the coarse secondary phases of the base material and the weld are significant. Therefore，a targeted analysis of these differences is required to determine the similarities and differences in the fatigue cracking mechanisms between the joint and base material specimens.The results indicate that，at low stress ratios，the stress concentration of the white secondary phase (tightly connected to the base material)is lower than the yield strength of the base material. Thus，the Mg2Si phase (weakly connected to the base material)becomes the main location of the fatigue crack initiation in the base material. The white secondary phase in the weld is coarsened due to the thermomechanical and its stability is significantly reduced compared to the white secondary phase in the base material, making it the main location for crack initiation. As the stress ratio increases，the stress concentration in the white secondary phase increases，and the number of white secondary phases in the base material and the weld that become the location of crack initiation gradually increases.

7050-T7451 aluminum alloy；friction stir welding(FSW)；stress ratio；coarse secondary phase；fatigue behavior

10.11784/tdxbz202207033

TG405

A

0493-2137(2023)11-1164-07

2022-07-23；

2022-10-19.

鄧彩艷（1979—??），女，博士，教授，dengcy@tju.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉秀國，liuxiuguo@tju.edu.cn.

國家高速列車技術創(chuàng)新中心研發(fā)計劃資助項目(CXKY-02-06(2020))；國家自然科學基金資助項目(51875402).

the Research Project of National Innovation Center of High-Speed Train(No.CXKY-02-06(2020))，the National Natural Science Foundation of China(No.51875402).

(責任編輯：田?軍)