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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

研究用合金是國(guó)產(chǎn) 7×××高強(qiáng)鋁合金中的一種，與美國(guó)的7075合金和俄羅斯的B95合金相當(dāng)，具有密度小、硬度高、加工性能好等特點(diǎn)，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(guò)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(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)合金的疲勞性能展開(kāi)了大量的研究。Manson等[9?10]總結(jié)提出了評(píng)定材料的低周疲勞斷裂規(guī)律，即?ε?N曲線；而20世紀(jì)60年代發(fā)展并建立起來(lái)的斷裂力學(xué)，很快就被用于研究材料的疲勞裂紋擴(kuò)展特性[11?13]；Paris等[14]建立了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值(?K)之間的一般關(guān)系。近年來(lái)，許多研究人員利用電子顯微鏡對(duì)材料在疲勞過(guò)程中的微觀組織變化進(jìn)行觀察，研究了疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的疲勞斷裂機(jī)制。其中，Bruzzi等[15?16]采用?Jeff作為裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，對(duì)缺口疲勞短裂紋的擴(kuò)展行為進(jìn)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(kuò)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(kuò)展。為此，本文作者通過(guò)金相和電鏡掃描顯微技術(shù)對(duì)鋁合金在疲勞拉伸過(guò)程中疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展進(jìn)行了研究，并對(duì)不同應(yīng)力水平條件下的疲勞斷口進(jìn)行了微觀觀察和對(duì)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用鋁合金板材由東北輕合金有限責(zé)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(xué)成分如表1所示。在470 ℃保溫60 min后快速淬火冷卻，再進(jìn)行 2%的預(yù)拉伸以釋放淬火殘余應(yīng)力，然后進(jìn)行115 ℃×8 h+165 ℃×16 h雙級(jí)時(shí)效處理。

表1 實(shí)驗(yàn)鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of tested aluminum alloy w/%

疲勞試驗(yàn)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(jìn)一步了解合金板材的疲勞特性，對(duì)熱處理后的板材進(jìn)行金相顯微觀察和掃描電鏡(SEM)斷口形貌觀察。疲勞試驗(yàn)在MTS810型液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷波形為正弦波，頻率為20 Hz，應(yīng)力比為?1。穿過(guò)疲勞源區(qū)沿裂紋擴(kuò)展方向及斷口附近(圖1中的A點(diǎn))分別取樣進(jìn)行金相觀察。高倍掃描實(shí)驗(yàn)在Sirion場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行，截取疲勞試樣的斷口，對(duì)斷口的一些典型區(qū)域進(jìn)行掃描。

圖1 疲勞實(shí)驗(yàn)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(diǎn)開(kāi)始，在擴(kuò)展中相遇，裂紋前沿因阻力不同而發(fā)生擴(kuò)展方向上的偏離，此后，裂紋開(kāi)始在各自的平面上繼續(xù)擴(kuò)展。不同的斷裂面相交而形成臺(tái)階，這些臺(tái)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(kuò)展速率很慢，通常需要經(jīng)過(guò)多次循環(huán)才能形成，所以，疲勞源區(qū)的斷口通常比擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)更平坦，而在整個(gè)斷口上與其余2個(gè)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(gè)區(qū)域的面積就越小。從圖2(a)可見(jiàn)：在285 MPa的加載應(yīng)力下，裂紋形成點(diǎn)約200 μm×600 μm范圍內(nèi)沒(méi)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(duì)疲勞試樣斷口另一端進(jìn)行觀察，可以觀察到所謂的“魚(yú)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(dòng)的結(jié)果。同時(shí)，加載應(yīng)力對(duì)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(yú)眼”)距表面的位置隨加載應(yīng)力增大而向表面移動(dòng)，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(diǎn))的顯微組織Fig.4 Microstructures of section of fatigue fracture and point A under different loads

穿過(guò)疲勞源區(qū)沿裂紋擴(kuò)展方向的剖面及斷口附近(圖1中A點(diǎn))的顯微組織見(jiàn)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(yán)重。同時(shí)，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(kuò)展；靠近表面的裂紋為沿晶擴(kuò)展，而經(jīng)過(guò)一定深度之后裂紋轉(zhuǎn)入穿晶擴(kuò)展，如圖4(c)和4(d)所示。這是因?yàn)榫Ы缭谝欢ㄇ闆r下也可視為一種晶體缺陷，容易出現(xiàn)位錯(cuò)塞積，沿晶界形成一些微裂紋。當(dāng)微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展后，裂紋尖端在不斷地張開(kāi)和閉合的過(guò)程中，出現(xiàn)穿晶裂紋擴(kuò)展。

一般來(lái)說(shuō)，第1階段裂紋擴(kuò)展的深度較淺，當(dāng)裂紋擴(kuò)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(kuò)展，從而裂紋的擴(kuò)展進(jìn)入了第2階段(圖5)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到疲勞后期時(shí)，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(kuò)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(dāng)加載應(yīng)力較大時(shí)，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(dāng)加載應(yīng)力較小時(shí)，所需的循環(huán)次數(shù)增大，裂紋擴(kuò)展面積所占比例也較大，但第2階段裂紋擴(kuò)展面積所占比例最大，約占整個(gè)斷裂面的2/3(圖 5(a))。

2.2 裂紋的擴(kuò)展

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

由圖7可見(jiàn)：斷口分為疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)3部分。靠近裂紋源處，裂紋放射狀明顯，其后裂紋逐漸稀疏，裂紋擴(kuò)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?yàn)殡S著裂紋長(zhǎng)度增大，裂紋張口變大，相同應(yīng)力下裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值?K增大，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)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(kuò)展區(qū)的面積減小，瞬斷區(qū)增大。當(dāng)應(yīng)力為285 MPa時(shí)，斷口上的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面的2/3，當(dāng)應(yīng)力增大到430 MPa時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積則占整個(gè)斷面的1/2。這跟裂紋擴(kuò)展階段與疲勞后期的對(duì)應(yīng)比例關(guān)系相吻合(圖7)。

圖 8所示為圖 7中裂紋擴(kuò)展區(qū)中部位置的高倍SEM像。從圖8可見(jiàn)到裂紋擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展方向一致。在應(yīng)力為430 MPa時(shí)，樣品上的疲勞輝紋間距為400～600 nm，在應(yīng)力為285 MPa時(shí)，疲勞輝紋間距為300 nm左右，說(shuō)明應(yīng)力越大，斷口上疲勞輝紋間距越大。這是因?yàn)閼?yīng)力越大，裂紋擴(kuò)展速率越快，每一個(gè)加載循環(huán)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展延伸的距離越大，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的面積就越小。同時(shí)，由于晶粒的取向不同以及晶界和第2相粒子的存在，會(huì)使裂紋的擴(kuò)展由一個(gè)平面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)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(kuò)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(gè)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(kuò)展，然后轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力軸正交的方向擴(kuò)展，最后瞬斷。當(dāng)應(yīng)力很大時(shí)，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(dāng)應(yīng)力較低時(shí)，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(kuò)展所占比例最大，約占整個(gè)斷裂面的2/3。

(3) 疲勞斷裂過(guò)程中應(yīng)力越高，裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋間距越大，裂紋擴(kuò)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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