時效狀態對7020鋁合金疲勞性能的影響

王勇，唐建國, ，鄧運來, ，林化強，單朝軍，張勇，劉勝膽，葉凌英

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時效狀態對7020鋁合金疲勞性能的影響

王勇1，唐建國1, 2，鄧運來1, 2，林化強3，單朝軍2，張勇2，劉勝膽2，葉凌英2

(1. 中南大學 輕合金研究院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；3. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266000)

研究不同時效狀態下7020鋁合金的疲勞強度及疲勞裂紋擴展性能，并分別利用透射電鏡和掃描電鏡對合金的顯微組織及疲勞斷口進行觀察分析。研究結果表明：欠時效、峰時效和過時效3種時效態合金在循環數為107次時的條件疲勞極限分別為131，114和127 MPa；欠時效合金具有最低的疲勞裂紋擴展速率，峰時效合金的疲勞裂紋擴展速率最高；隨著時效程度加大，過時效合金的疲勞裂紋擴展性能有所改善；欠時效合金中可切過的GP區增加位錯滑移的可逆性并促進裂紋的偏折，而峰時效合金中主要為η'相，不可切過的η'相以及較大的晶內和晶界無析出帶(PFZ)之間的強度差導致疲勞裂紋容易萌生和擴展；過時效合金晶內晶界強度差減小以及相關的裂紋閉合機制使其疲勞性能得到改善。

7020鋁合金；時效；疲勞強度；疲勞裂紋擴展

7020鋁合金具有良好的擠壓成型性能、較高的比強度、良好的耐蝕性能和焊接性能，被廣泛地應用于高速列車車體結構材料[1?2]。合金在服役過程中，長期處于承載、加速、減速等循環交變應力環境中，不但要求其具有良好的力學性能和耐蝕性能，而且要求其具有較高的疲勞性能。目前，我國高速鐵路和高速列車技術研究正處于快速發展階段，高速列車底架用枕梁、牽引梁等型材作為高速列車極為重要的承載部件之一，其長期服役后的疲勞失效將嚴重影響高速列車的運行安全。因此，開展7020鋁合金疲勞性能的研究具有十分重要的意義。影響合金疲勞性能的顯微組織因素主要有晶粒尺寸、織構、第二相和晶界等[3?7]，時效析出相的大小、數量、分布和形態等在很大程度上決定了材料疲勞性能。Al-Zn-Mg合金的時效析出順序可以歸納為[8?12]：過飽和固溶體—GP區—η'亞穩相—η平衡相。時效初期形成的GP區與鋁基體共格，能夠被可動位錯切過[13]。隨著時效程度的加深，半共格的η'相開始生成，合金達到峰時效強度時的主要強化相即η'相[12]。較大的η'相和與基體非共格的η相無法被可動位錯切過。CHEN等[4]研究了時效析出相對7055鋁合金疲勞裂紋擴展速率的影響，并基于位錯的可逆滑移模型，提出欠時效和T77態合金中與基體共格的析出相可以提高疲勞裂紋擴展抗力。DESMUKH等[5]研究了時效處理對7010鋁合金疲勞性能的影響，發現過時效態合金中粗大、不可切過的相促進了合金的均勻變形，裂紋擴展速率提高的同時疲勞強度也有所提高；此外，晶界析出相和晶界附近無析出帶的形成也提高了裂紋的擴展速率。而GURBUZ等[14?15]的研究表明，較大的不可切過的析出相有利于降低疲勞裂紋擴展速率；蘇雷什[16]的研究表明，在潮濕環境下，過時效態合金會發生明顯的氧化物誘發裂紋閉合現象，因此，有必要進一步研究不同時效狀態對疲勞強度及裂紋萌生與擴展的影響。本文通過將7020鋁合金分別處理至欠時效、峰時效和過時效狀態，研究時效引發的顯微組織改變對其疲勞強度及疲勞裂紋擴展性能的影響。

1 實驗

實驗所用材料為7020鋁合金擠壓型材，其化學成分見表1。鑄錠均勻化后進行熱擠壓及在線淬火，室溫停放72 h后進行雙級時效處理，即于90 ℃保溫12 h后在170 ℃下分別保溫1，4和11 h，將合金分別處理到欠時效、峰時效和過時效狀態。

表1 7020鋁合金的化學成分(質量分數)

室溫拉伸實驗在CRIMS拉伸機上進行，依照GB/T 228.1—2010“金屬材料拉伸實驗第1部分：室溫試驗方法”進行實驗。試樣沿擠壓方向切取，拉伸速率為2 mm/min，每種時效狀態取3個平行試樣。疲勞裂紋擴展實驗在MTS Landmark高頻疲勞試驗機上進行，依照GB/T 6398—2000“金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法”進行實驗。采用緊湊拉伸CT試樣，取樣方向為L?T方向(其中L表示軋制方向，T表示寬度方向)，應力比(=min/max)為0.1，正弦波加載，加載頻率為10 Hz，實驗環境為室溫、大氣環境。

采用Tecnai G220型透射電子顯微鏡(TEM)進行觀察，加速電壓為200 kV。試樣先采用機械減薄至100 μm以下，沖成直徑為3 mm的圓片后在雙噴電解減薄儀上制備，電解液為20%硝酸+80%甲醇(體積分數)混合溶液，電壓為20 V，實驗溫度為?30 ℃。采用ZEISS EVO MA10型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口，加速電壓為20 kV。

2 結果與分析

2.1 力學性能

表2所示為不同時效處理后合金的維氏硬度及室溫拉伸性能，其中，0.2為屈服強度，b為抗拉強度，為伸長率。從表2可見：欠時效態合金的硬度和屈服強度均最低，屈服強度只有214.2 MPa；伸長率最高，達到15.6%；峰時效態的合金具有最高的維氏硬度和強度以及最低的伸長率，屈服強度和伸長率分別為311.0 MPa和13.6%；過時效態合金的屈服強度為290.3 MPa，比峰時效態合金的屈服強度低6.7%，而伸長率則較之提高10.3%，達到15.0%。

表2 不同時效狀態下合金的力學性能

2.2 顯微組織

圖1所示為不同時效態7020鋁合金的TEM明場像及所對應的選區電子衍射(SAED)花樣。由圖1(a)和圖1(b)可以看出：欠時效態合金晶內分布著大量直徑為1~2 nm的細小析出相。從其<100>Al方向的衍射花樣可以看到，在{1,(2+1)/4,0}Al處存在明顯的衍射斑點，表明其晶內析出相主要為GPI區，時效初期形成的GPI區與鋁基體共格并且可以被位錯切過。由圖1(b)可以看出：其晶界上已經產生較小且較為連續的析出相，但并未觀察到明顯的晶界無析出帶(PFZ)。峰時效態合金的晶內析出相明顯增大。從其<110>Al方向的衍射花樣可以看出：在1/3{220}Al和2/3{220}Al處存在明顯的衍射斑點，表明其晶內析出相主要為彌散分布的η'相，平均直徑約7 nm；其晶界處存在明顯的無析出帶，寬度約68 nm，晶界析出相較為連續，沿晶界方向長度約為22 nm。過時效態合金的晶內析出相進一步粗化，平均直徑達到約9 nm，且密度明顯降低，此時，其析出相之間的間距明顯大于峰時效態合金析出相的間距，結合衍射花樣可知其析出相主要為較大的η'相和η相；晶界PFZ寬度達到97 nm，晶界析出相較大且斷續分布，沿晶界方向寬度約為50 nm。

時效狀態：(a)欠時效，晶內；(b) 欠時效，晶界；(c)峰時效，晶內；(d) 峰時效，晶界；

2.3 疲勞強度

圖2所示為不同時效狀態下的?曲線(其中為循環次數(用來表征疲勞壽命)，為加載應力)。的擬合公式[17]為

式中：A，B和E為擬合系數。將3種時效狀態下合金的循環次數分別按式(1)進行擬合。

欠時效狀態：

峰時效狀態：

過時效狀態：

由圖2可以看出：在較高應力階段(應力＞150 MPa)，由于接近欠時效合金的屈服強度，較容易萌生裂紋，導致其疲勞壽命明顯低于峰時效態和過時效態合金的疲勞壽命，特別是在循環次數低于105次的低周疲勞階段，其裂紋萌生與擴展方式與高周疲勞階段的有一定差異。而在低應力的高周疲勞階段，欠時效態合金和過時效態合金的疲勞壽命顯著高于峰時效態合金的疲勞壽命。隨著循環應力下降，?曲線逐漸接近水平，欠時效、峰時效和過時效態3種合金在循環數為107次時的疲勞強度極限分別為131，114和127 MPa。

2.4 疲勞裂紋擴展

圖3所示為不同時效狀態下合金的疲勞裂紋擴展速率曲線。其中，曲線的線性部分即疲勞裂紋擴展的穩定擴展Paris區，符合下列公式：

式中：和為材料試驗常數；Δ為應力強度因子范圍；d/d為疲勞裂紋擴展速率。

表3所示為3種時效狀態下不同Δ所對應的疲勞裂紋擴展速率。由表3可知：在Δ=10 MPa·m1/2時，欠時效態合金的裂紋擴展速率最低，為6.09×10?5mm/次；峰時效態合金的裂紋擴展速率最高，達到1.49×10?4mm/次；過時效態合金的裂紋擴展速率為9.72×10?5mm/次，比峰時效態合金的裂紋擴展速率降低了34.8%。隨著Δ增加，裂紋擴展速率差距逐漸縮小，當Δ＞20 MPa·m1/2時，二者裂紋擴展速率已經基本沒有差別。值得注意的是，欠時效態合金在疲勞裂紋擴展的初始階段出現裂紋擴展速率下降的現象，這是典型的疲勞短裂紋擴展現象，即疲勞短裂紋的擴展速率隨短裂紋長度增加而降低，之后又隨裂紋長度增加而增加，這種現象的產生可能與裂紋尖端與晶界的相互作用及裂紋的偏折和閉合程度有關[16]。

圖3 不同時效狀態下合金的疲勞裂紋擴展速率曲線

表3 3種時效狀態下不同ΔK所對應的疲勞裂紋擴展速率

圖4所示為不同時效狀態下合金的疲勞裂紋擴展路徑。由圖4可以看出：欠時效合金的裂紋擴展路徑最曲折，而峰時效態合金和過時效態合金的裂紋擴展路徑較平直。這種差異主要是由時效引起的顯微組織不同造成的，而裂紋擴展路徑的曲折程度對疲勞裂紋擴展速率有很大影響。

時效狀態：(a) 欠時效，裂紋中部；(b) 欠時效，裂紋尖端；(c) 峰時效；(d) 過時效

2.5 疲勞斷口

圖5所示為不同時效狀態下的疲勞裂紋擴展Paris區(Δ=15 MPa·m1/2)的斷口形貌。由圖5可以看出：疲勞裂紋以穿晶模式擴展，存在由撕裂棱分隔的疲勞斷片，欠時效態合金的斷口較粗糙且斷片尺寸最小，表明其裂紋偏折較明顯，峰時效和過時效態合金中還出現了微孔洞。在高倍鏡下可以清晰地觀測到平行排布的疲勞輝紋，Laird塑性鈍化模型很好地解釋了疲勞條帶形成的原因，在該模型中每條帶可以視作1次應力循環的擴展痕跡，裂紋的擴展方向與條帶垂直[18]。經測量，欠時效態合金疲勞輝紋的平均寬度為0.18 μm，峰時效態合金疲勞輝紋平均寬度為0.43 μm，過時效態合金疲勞輝紋平均寬度為0.34 μm。測量結果與表3所示結果吻合，再次驗證了欠時效態合金的裂紋擴展速率最低，過時效態次之，峰時效態裂紋擴展速率 最高。

時效狀態：(a) 欠時效，放大200倍；(b) 欠時效，放大10 000倍；(c) 峰時效，放大200倍；(d) 峰時效，放大10 000倍；(e) 過時效，放大200倍；(f) 過時效，放大10 000倍

圖6所示為不同時效狀態下合金疲勞瞬斷區的形貌。3種時效狀態下合金的斷口形貌都以韌窩狀的塑性斷口為主，接近于合金的拉伸斷口形貌。欠時效態合金的塑性最好，其斷口上存在大量細小的韌窩；相比于峰時效合金，過時效合金的韌窩變得大而深，這主要是因為時效程度加深使得合金塑性提高。

時效狀態：(a) 欠時效；(b) 峰時效；(c) 過時效

3 討論

材料的疲勞總壽命是指光滑試樣的疲勞裂紋萌生的循環數與疲勞裂紋擴展到失效斷裂的循環數之和，而疲勞裂紋擴展又分為低擴展速率的近門檻值區、穩定擴展的Paris區和高擴展速率的瞬斷區。由于瞬斷區存在的時間極短，故本文主要討論疲勞裂紋萌生和較低Δ下的裂紋擴展。對合金疲勞性能有顯著影響的晶粒尺寸、初生相形貌和再結晶程度等微觀組織結構特征在時效階段不會發生改變，因此，不同時效狀態對于合金疲勞性能的影響主要是由晶內和晶界時效析出相以及晶界無析出帶的差異造成的。

欠時效合金具有最強的疲勞裂紋擴展抗力和較大的高周疲勞強度，這主要是由于欠時效合金的時效析出相與基體共格并且可以被位錯切過。位錯在裂紋尖端塑性區內的運動具有可逆性：當應力加載時，位錯滑移直到它們遇到障礙，形成位錯堆積并產生一定的應力；當應力卸載時，向后的應力促使位錯反向運動。欠時效合金中由于滑移面上的可切過析出相已被破壞，當應力卸載時大量位錯在滑移面上反向運動，降低了裂紋尖端的局部應力集中以及塑性累積水平，從而降低了疲勞裂紋擴展速率。相反，不可切過的析出相會阻礙位錯的可逆運動，導致裂紋擴展速率較高。此外，可切過的析出相造成不均勻的滑移分布和晶體學的裂紋擴展。與峰時效和過時效合金相比，欠時效合金的裂紋是高度鋸齒狀和晶體學方式擴展的穿晶裂紋(見圖4)，其裂紋擴展路徑最曲折。蘇雷什等[16, 19]的研究表明，即使裂紋路徑存在很小偏折(與裂紋長度相比)，也可能使裂紋擴展速率降低幾個數量級，特別是在疲勞的近門檻區，這主要是由于裂紋偏折導致應力卸載時2個相對的疲勞斷裂面提前接觸，產生顯著的粗糙誘發裂紋閉合效應，從而降低了疲勞裂紋擴展速率。

峰時效合金的析出相尺寸顯著增大，主要為η'相，細小而彌散的η'析出相會阻礙位錯的運動而使其具有較高的強度。析出相尺寸改變會使位錯通過析出相時的機制產生變化。KOVáCS等[13]對切過和繞過2種機制進行了分析，得到如下關系式：

隨著時效程度增加，過時效態合金的析出相變為較粗大的η'相和η相，不能被位錯切過，其疲勞強度增加而裂紋擴展速率下降。這主要是由于粗大的晶內析出相可以使變形更加均勻[22?23]，同時，基體強度下降導致其與晶界PFZ之間的強度差變小，反而提高了晶界的變形抗力，從而導致在較低應力水平下合金疲勞裂紋萌生困難。而且在低Δ的近門檻區，裂紋尖端的塑性區很小，位錯滑移距離很短而過時效合金的析出相間距較大，這降低了位錯與析出相之間相互作用的概率并有利于位錯的可逆滑移及裂紋閉合，從而使低Δ時的裂紋擴展速率降低。隨著Δ增加，裂紋尖端的塑性區增大，位錯滑移距離也增加，位錯繞過較大的析出相并形成位錯環，阻礙了可逆滑移，導致Δ較高時裂紋擴展速率較快。此外，蘇雷什等[16, 24]的研究表明，在大氣環境下進行疲勞試驗時，會發生顯著的氧化物誘發裂紋閉合現象，低應力比、低Δ水平及高循環頻率等因素由于對斷裂面的凹凸不平處發生微動磨損和摩擦有利，從而促進了這個過程。時效處理引入的析出相變化對于鋁合金的斷裂面在疲勞過程中的氧化具有決定性影響，過時效態合金在疲勞過程中所形成的氧化層厚度要遠大于欠時效態和峰時效態合金的氧化層厚度，在應力卸載時會導致裂紋提前閉合，從而降低了疲勞裂紋擴展速率。

4 結論

1) 欠時效態7020鋁合金晶內分布著大量細小且可切過的GPI區，峰時效和過時效態合金晶內的η'相和η相不可切過；晶界PFZ寬度和析出相尺寸隨著時效程度加深不斷增大。

2) 欠時效和過時效態合金的疲勞強度較高，峰時效合金的疲勞強度最低，欠時效、峰時效和過時效態3種合金在循環數為107次時的條件疲勞極限分別為131，114和127 MPa。

3) 欠時效態合金的疲勞裂紋擴展速率最低，過時效態合金次之，峰時效態合金最高；欠時效合金中可切過的GP區增加了滑移的可逆性并促進了裂紋的偏折，峰時效合金中不可切過的η'相阻礙了位錯的可逆滑移；過時效合金析出相間距增加及相關的閉合機制使其疲勞性能得到改善。

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(編輯 伍錦花)

Effect of aging conditions on fatigue behavior of 7020 aluminum alloy

WANG Yong1, TANG Jianguo1, 2, DENG Yunlai1, 2, LIN Huaqiang3, SHAN Zhaojun2, ZHANG Yong2, LIU Shengdan2, YE Lingying2

(1. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3. China Railway Rolling Stock Corporation Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266000, China)

The fatigue strength and fatigue crack growth behavior of 7020 aluminum alloy under different aging conditions were investigated. The microstructures and fractographies of the alloy were examined by transmission electron microscopy(TEM) and scanning electron microscopy(SEM). The results show that when cycle number is 107, the fatigue strength of 7020 aluminum alloy in under-aged, peak-aged and over-aged conditions are 131, 114 and 127 MPa, respectively. The fatigue crack growth rate of under-aged alloy is the least and that of peak aged alloy is the highest. With the increase of aging degree, the fatigue crack growth property of over aged alloy is improved. The shearable GP zones in under-aged alloy enhance the reversibility of dislocation slip and induce the deflection of fatigue crack. In contrast, the non-shearable η' is dominant in peak aged alloy. Together with the large strength differential between grain interior and precipitation free zone(PFZ) of grain boundary, the non-shearable η' makes the fatigue crack easy to initiate and propagate. The reduction of strength differential and related crack closure mechanisms improve fatigue behavior of over aged alloy.

7020 aluminum alloy; aging; fatigue strength; fatigue crack growth

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.007

TG146.2

A

1672?7207(2018)11?2684?08

2017?11?06；

2018?01?06

國家重點研發計劃項目(2016YFB0300901)；國家自然科學基金資助項目(51474240)；中山市科技局重大專項(2016A1001) (Project(2016YFB0300901) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(51474240) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016A1001) supported by the Key Research and Development Program of Zhongshan City)

唐建國，博士，副教授，從事鋁合金材料加工制備研究；E-mail: jgtang@csu.edu.cn