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铝合金材料的疲劳研究进展徐超，杨尚磊（上海工程技术大学材料工程学院上海 201620）摘要：综述了铝合金材料的疲劳研究进展，介绍了铝合金材料的疲劳裂纹萌生机制和特性、裂纹扩展规律及其扩展阶段的研究进展，同时概述了裂纹疲劳行为的影响因素和微观机理方面的最新研究进展，最后从裂纹萌生和扩展机制以及微观机理等方面概述了铝合金疲劳行为研究趋势。
关键词：铝合金疲劳裂纹萌生和扩展微观机理0 前言材料的疲劳性能指标是许多构件设计的重要依据之一，为此从微观上分析研究材料疲劳裂纹萌生和扩展特点以及他们与材料本证微观结构之间的关系具有重要指导意义[1]。
由疲劳引起的焊接构件表面产生的裂纹萌生、扩展和断裂，都会导致一系列严重的影响，致使整个系统出现失效现象。
疲劳行为的研究已经成为材料学中的一个重要分支，由于其存在的广泛性，越来越受到国内外众多学者的关注。
铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了广泛的应用，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，因此铝合金成为在工业中应用最广泛的一类有色金属材料[2]。
铝合金材料的疲劳破坏是汽车、列车、船舶、航空、航天领域中经常遇到的现象，所以对铝合金的疲劳行为的研究更具有重要意义。
目前对铝合金疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的微观特征以及疲劳寿命的预测研究也相当广泛，因此，本文对铝合金材料的疲劳研究进行了综述。
2 铝合金材料的疲劳研究现状2.1 疲劳裂纹的萌生由于交变载荷的循环作用，疲劳裂纹的萌生过程往往发生在材料存在缺陷或薄弱区域以及高应力区，其通过不均匀的滑移或位移，从微细小裂纹形成而逐渐长大扩展至断裂。
主要可能存在以下形式:对一般的工业合金，在交变应力作用下第二相、夹杂物与基体界面开裂；对纯金属或单相合金，尤其是单晶体，材料表面的滑移带集中形成驻留滑移带就会形成开裂；当经受较高的应力或应变幅时，晶界结合力在低于晶内滑移应力下，晶界或亚晶界处易发生开裂；另外，对高强度合金，也会由于夹杂物、第二相本身属于脆性相从而发生开裂。
铝合金材料的疲劳性能测试研究在现代制造业中，铝合金材料被广泛应用于多种领域，如航空航天、汽车制造、建筑工程等。
铝合金材料的强度和重量比例高，可耐高温、耐腐蚀、可塑性和韧性好，成为了现代工业中不可或缺的材料之一。
然而，与其他材料一样，铝合金材料也存在着使用寿命和疲劳性能的问题。
疲劳是指在受到反复加载和卸载的情况下，产生的材料损伤，最终导致裂纹、分离和失效。
对于工程领域中的材料来说，疲劳失效对结构的稳定性和可靠性具有重要影响。
因此，研究材料的疲劳性能是保证工程结构安全和可靠的必要条件。
铝合金材料的疲劳性能测试是评估材料疲劳强度和失效寿命的标准化测试方法。
通过进行疲劳性能测试，可以评估材料在不同工作负荷下的疲劳寿命和适用条件，以了解材料的疲劳特点和机制并提高工程结构的安全性。
目前，常见的铝合金材料疲劳性能测试方法主要包括拉伸疲劳试验和弯曲疲劳试验。
拉伸疲劳试验是通过施加周期性的拉力来破坏试样，以分析抗拉疲劳强度和疲劳寿命。
而弯曲疲劳试验则是通过周期性的弯曲负载来破坏试样，以分析其抗弯曲疲劳强度和疲劳寿命。
不同的铝合金材料在疲劳性能测试中表现出不同的特点。
例如，铝-锂合金的疲劳性能较好，其拉伸疲劳寿命比纯铝增加约30％，而弯曲疲劳寿命比纯铝高出60％，这是由于铝-锂合金的强度和硬度高且具有良好的可塑性和韧性所致。
相比之下，铝-镁合金的疲劳性能比较差，其拉伸疲劳强度和疲劳寿命都比纯铝低，但弯曲疲劳强度和寿命则比纯铝高出一些。
此外，铝合金材料的疲劳性能还受到多种因素的影响，如材料的化学成分、微观结构、热处理工艺、表面处理等因素，以及不同应变率、温度和湿度等试验条件的影响。
因此，在进行铝合金材料的疲劳性能测试时，需要根据具体情况设计合适的试验方法和模拟参数。
同时，也需要对测试结果进行充分的分析和解释，以了解铝合金材料的疲劳特性和机制。
总之，铝合金材料的疲劳性能测试是保证工程结构稳定性和可靠性的重要手段。
通过对材料的疲劳性能进行测试和研究，可以为材料的优化设计和工程结构的可靠性保证提供重要参考。
7075-T651铝合金薄壁管件多轴低周疲劳行为及寿命预测陈亚军;刘辰辰;褚玉龙;宋肖肖【摘要】针对航空铝合金多轴疲劳失效问题,对7075-T651铝合金薄壁管件进行不同加载条件下的拉扭复合疲劳实验.结果表明:随等效应力幅的降低,多轴疲劳寿命增加;等效应力恒定时,寿命随应力幅比的升高而增加;拉扭相位差对寿命影响较小.高应力幅下材料在轴向和扭向以软化为主,低应力幅下硬化和软化交替出现.宏观断口平台区随应力幅比的增加而逐渐减小,微观断口呈现管壁外侧的多裂纹源特征,扩展区可以观察到疲劳条带和二次裂纹,瞬断区出现混合型韧窝.提出基于Basquin准则的改进模型,得到较好的寿命预测效果,寿命预测值均位于两倍分散带内.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】10页(P60-69)【关键词】7075-T651铝合金;薄壁管件;多轴低周疲劳;失效机理;寿命预测【作者】陈亚军;刘辰辰;褚玉龙;宋肖肖【作者单位】中国民航大学中欧航空工程师学院,天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院,天津300300;中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司,上海201306;中国民航大学中欧航空工程师学院,天津300300【正文语种】中文【中图分类】O346.27075铝合金作为硬铝合金的一种，具有较高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性[1]，作为飞机结构材料，可用于制造蒙皮、翼梁、隔框、起落架及液压系统零部件等，被广泛应用于航空领域[2-3]。
在服役过程中，飞机结构常常受到多轴疲劳载荷的作用，对材料的失效行为及机理进行分析至关重要[4-7]。
加载条件往往会对疲劳寿命产生影响[8-9]，赵凯等[10]对弹簧钢进行比例加载条件下的多轴疲劳实验，发现弯曲应力占等效应力的比值对寿命有显著作用。
Zhang 等[11]利用2A12铝合金进行多轴高周疲劳实验，指出载荷高低会影响断裂形式，多轴加载常常形成混合型裂纹。
7075t651铝合金密度
7075T651铝合金是一种常用的高强度铝合金材料，具有较高的密度。
本文将介绍7075T651铝合金的密度及其相关特性。
7075T651铝合金的密度为 2.81g/cm³。
作为一种高强度铝合金，7075T651具有优异的力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、机械设备等领域。
其高密度使其具备出色的强度和刚性，适用于承受高压力和重负荷的工作环境。
7075T651铝合金具有很高的强度，其抗拉强度可达到570MPa，属于超高强度铝合金。
这使得7075T651在航空航天领域得到广泛应用，如制作飞机零部件、导弹外壳等。
此外，7075T651还具有良好的抗腐蚀性能，能够在恶劣的环境下长时间使用。
除了高强度外，7075T651铝合金还具有良好的可加工性。
尽管其密度较高，但7075T651仍然可以通过热处理和加工来获得不同的形状和尺寸。
然而，由于7075T651铝合金的硬度较高，对于加工设备和刀具的要求也相应较高。
7075T651铝合金的密度对于一些需要轻量化设计的领域可能会受到限制。
相比之下，其他铝合金材料如6061T6铝合金的密度仅为2.7g/cm³，具有相对较轻的重量。
因此，在重量要求较为苛刻的应用中，设计人员可能会选择其他密度较低的铝合金材料。
总结起来，7075T651铝合金是一种密度较高的高强度铝合金材料。
其密度为 2.81g/cm³，具有良好的力学性能和抗腐蚀性能。
尽管其密度较高，但7075T651仍然具备良好的可加工性。
然而，在需要考虑重量的设计中，可能会选择其他密度较低的铝合金材料。
第30卷 第4期2010年8月 航 空 材 料 学 报J O U R N A LO FA E R O N A U T I C A LM A T E R I A L SV o l .30,N o .4 A u g u s t 20107075-T 651铝合金疲劳特性研究韩 剑, 戴起勋, 赵玉涛, 李桂荣(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)摘要:在不同的应力幅值下测试了7075-T 651铝合金的疲劳寿命,拟合试验数据得到合金S -N 曲线,估算疲劳极限为223M P a 。
用扫描电镜观察高低应力幅值下的疲劳试样断口,结果表明:合金的加工缺陷或粗大夹杂处往往为裂纹源,裂纹扩展伴随着小平面断裂的发生,高应力幅下疲劳裂纹扩展区出现犁沟和轮胎花样,而低应力幅下的疲劳裂纹扩展区中除有大量疲劳条带外,还出现了疲劳台阶和二次裂纹。
合金的疲劳瞬断区则存在着撕裂棱与等轴韧窝。
弥散分布的微小析出相对合金的疲劳性能有着积极的影响。
关键词:7075-T 651铝合金;S -N 曲线;疲劳断口D O I :10.3969/j .i s s n .1005-5053.2010.4.018中图分类号:T G 146.21 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)04-0092-05收稿日期:2009-04-21;修订日期:2009-06-16基金项目:国家863高技术研究项目(2007A A 03Z 548)作者介绍:韩剑(1984—),男,硕士研究生,从事高强铝合金组织与性能方面的研究,(E -m a i l )h a n j i a n m o o n @y a h o o .c o m .c n通讯作者:戴起勋,男,教授,博士生导师,(E -m a i l )q x d a i @u j s .e d u .c n 。
7075合金是美国较早开发的一种铝合金,是航空航天领域广泛使用的一种轻型结构材料。
7075-T6517075铝板2011年执行标准：GB/T3880.2—20067000铝合金是另外一种常用的合金，品种繁多．它包含有锌和镁．比较常见的铝合金中强度最好的就是7075合金，但是它无法进行焊接，而且它的抗腐蚀性相当差，很多CNC 切削制造的零部件用的就是7075合金．锌在这系列中是主要合金元素，加上少许镁合金可使材料能受热处理，到达非常高强度特性。
这系列材料一般都加入少量的铜、铬等合金，而其中以编号7075铝合金尤为上品，强度最高，适合飞机构架及高 强度配件。
② 属Al-Zn-Mg-Cu 系超硬铝，该合金是20世纪40年代末期就已应用于飞机制造业，至今仍在航空工业上得到广泛应用的超高强度变形铝合金。
其特点是，固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，在150℃以下有高的强度，并且有特别好的低温强度；焊接性能差；有应力腐蚀开裂倾向；需经包铝或其他保护处理使用。
双级时效可提高合金抗应力腐蚀开裂的能力。
在退火和刚淬火状态下的塑性稍低于同样状态的2A12.稍优于7A04，板材的静疲劳.缺口敏感，应力腐蚀性能优于7A04。
7075-T651化学成分化学成分分析合金 牌号 硅 Si 铁 Fe 铜 Cu 锰 Mn 镁 Mg 铬 Cr 锌 Zn 钛 Ti 其他 铝每个 总计 最小值7075 ≥0.4 ≥0.5 1.2-20 ≥0.3 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 ≥0.2 0.05 0.15余量7075-T651机械性能机械性能分析（TypicalMechanical Properties ）铝合金牌号 及状态 拉伸强度 屈服强度 硬度 延伸率(250℃MPa) (250℃MPa) 500kg 力10mm 球 1.6mm(1/16in)厚度ALLOYAND TEMPERUltimate Tensile StrengthUltimateTensile StrengthHardness Elongation7075-T651 572 503 150 11物理性能分析（TypicalPhysical Properties）铝合金牌号及状态热膨胀系数（20-100℃）um/m.k熔点范围（℃）电导率20℃（68°F）（%ACS）电阻率20℃（68°F）m㎡/mALLOY AND TEMPER AverageCoefficientOfThermalExpansionMeltingRangeElectricalConductivityElectricalResistivity7075-T651 23.6 475-635 33 0.0515(1)组合之元素性质以最高百分率表示，除非列出的是一个范围或是最低值。
7075-T6517075铝板2011年执行标准：GB/T3880.2—20067000铝合金是另外一种常用的合金，品种繁多．它包含有锌和镁．比较常见的铝合金中强度最好的就是7075合金，但是它无法进行焊接，而且它的抗腐蚀性相当差，很多CNC 切削制造的零部件用的就是7075合金．锌在这系列中是主要合金元素，加上少许镁合金可使材料能受热处理，到达非常高强度特性。
这系列材料一般都加入少量的铜、铬等合金，而其中以编号7075铝合金尤为上品，强度最高，适合飞机构架及高 强度配件。
② 属Al-Zn-Mg-Cu 系超硬铝，该合金是20世纪40年代末期就已应用于飞机制造业，至今仍在航空工业上得到广泛应用的超高强度变形铝合金。
其特点是，固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，在150℃以下有高的强度，并且有特别好的低温强度；焊接性能差；有应力腐蚀开裂倾向；需经包铝或其他保护处理使用。
双级时效可提高合金抗应力腐蚀开裂的能力。
在退火和刚淬火状态下的塑性稍低于同样状态的2A12.稍优于7A04，板材的静疲劳.缺口敏感，应力腐蚀性能优于7A04。
7075-T651化学成分化学成分分析合金 牌号 硅 Si 铁 Fe 铜 Cu 锰 Mn 镁 Mg 铬 Cr 锌 Zn 钛 Ti 其他 铝每个 总计 最小值7075 ≥0.4 ≥0.5 1.2-20 ≥0.3 2.1-2.9 0.18-0.28 5.1-6.1 ≥0.2 0.05 0.15余量7075-T651机械性能机械性能分析（TypicalMechanical Properties ）铝合金牌号 及状态 拉伸强度 屈服强度 硬度 延伸率(250℃MPa) (250℃MPa) 500kg 力10mm 球 1.6mm(1/16in)厚度ALLOYAND TEMPERUltimate Tensile StrengthUltimateTensile StrengthHardness Elongation7075-T651 572 503 150 11物理性能分析（TypicalPhysical Properties）铝合金牌号及状态热膨胀系数（20-100℃）um/m.k熔点范围（℃）电导率20℃（68°F）（%ACS）电阻率20℃（68°F）m㎡/mALLOY AND TEMPER AverageCoefficientOfThermalExpansionMeltingRangeElectricalConductivityElectricalResistivity7075-T651 23.6 475-635 33 0.0515(1)组合之元素性质以最高百分率表示，除非列出的是一个范围或是最低值。
《7075铝合金脉冲电流辅助成形力学性能及摩擦特性研究》一、引言随着现代工业的快速发展，轻质高强合金材料在航空、航天、汽车等领域的应用越来越广泛。
其中，7075铝合金因其优良的力学性能和加工性能，成为这些领域中常用的材料之一。
然而，传统加工方法往往难以满足复杂零部件的成形要求。
近年来，脉冲电流辅助成形技术因其能够提高材料的成形性能和力学性能而受到广泛关注。
本研究以7075铝合金为研究对象，探讨脉冲电流辅助成形对其力学性能及摩擦特性的影响。
二、研究方法1. 材料选择与制备本研究选用7075铝合金作为研究对象，通过常规的铸造和热处理工艺制备试样。
2. 脉冲电流辅助成形采用脉冲电流辅助成形技术对7075铝合金进行加工，设置不同的电流参数，观察其对材料成形的影响。
3. 力学性能测试通过拉伸试验、硬度测试等方法，测定材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能指标。
4. 摩擦特性研究采用摩擦磨损试验机，研究材料在不同条件下的摩擦系数和磨损率，分析脉冲电流辅助成形对材料摩擦特性的影响。
三、结果与讨论1. 力学性能分析（1）抗拉强度与屈服强度：在脉冲电流辅助成形后，7075铝合金的抗拉强度和屈服强度均有显著提高，这主要是由于脉冲电流的作用使得材料晶粒细化，提高了材料的强度。
（2）延伸率：尽管脉冲电流辅助成形使得材料的抗拉强度和屈服强度提高，但延伸率略有降低。
这可能是由于电流作用下的局部热效应导致材料内部产生微小的热应力，影响了材料的塑性变形能力。
（3）硬度：硬度测试结果表明，脉冲电流辅助成形后，材料的硬度也有所提高，这进一步证明了脉冲电流对材料性能的改善作用。
2. 摩擦特性分析（1）摩擦系数：在摩擦磨损试验中，脉冲电流辅助成形的7075铝合金表现出较低的摩擦系数。
这可能是由于电流作用使得材料表面更加光滑，减少了摩擦阻力。
（2）磨损率：与未经过脉冲电流处理的材料相比，经过处理的材料表现出较低的磨损率。
这表明脉冲电流辅助成形技术有助于提高材料的耐磨性能。
第30卷 第4期2010年8月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 130,N o 14 A ugust 20107075-T651铝合金疲劳特性研究韩 剑, 戴起勋, 赵玉涛, 李桂荣(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)摘要:在不同的应力幅值下测试了7075-T651铝合金的疲劳寿命,拟合试验数据得到合金S -N 曲线,估算疲劳极限为223M P a 。
用扫描电镜观察高低应力幅值下的疲劳试样断口,结果表明:合金的加工缺陷或粗大夹杂处往往为裂纹源,裂纹扩展伴随着小平面断裂的发生,高应力幅下疲劳裂纹扩展区出现犁沟和轮胎花样,而低应力幅下的疲劳裂纹扩展区中除有大量疲劳条带外,还出现了疲劳台阶和二次裂纹。
合金的疲劳瞬断区则存在着撕裂棱与等轴韧窝。
弥散分布的微小析出相对合金的疲劳性能有着积极的影响。
关键词:7075-T 651铝合金;S -N 曲线;疲劳断口DO I :1013969/j 1i ssn 11005-505312010141018中图分类号:TG146121 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2010)04-0092-05收稿日期:2009-04-21;修订日期:2009-06-16基金项目:国家863高技术研究项目(2007AA 03Z548)作者介绍:韩剑(1984)),男,硕士研究生,从事高强铝合金组织与性能方面的研究,(E -m a il)han ji an_m oon @yahoo .com .cn通讯作者:戴起勋,男,教授,博士生导师,(E -m ail)qxda i @u j s .edu .cn 。
7075合金是美国较早开发的一种铝合金,是航空航天领域广泛使用的一种轻型结构材料。
近年来,因其强度高、重量轻的特性也在其他领域得到广泛应用,例如攀岩设备及自行车零件都普遍使用7075铝合金[1~4]。
在对7075合金所开展的研究工作中,其疲劳性能因与实际应用联系较为密切,是一个极有理论意义和应用价值的课题,目前虽然已有许多科研工作者对其进行了广泛的研究[5~8],但对其疲劳断裂机理研究却不多。
为了进一步深化研究,充分挖掘7075铝合金的使用潜力,本研究对时效7075-T651铝合金材料在不同应力幅下的疲劳断裂机理进行了研究。
1 试验材料和方法试验材料为A lcan 生产的厚度为23mm 的7075-T651铝合金成品板材,合金成分如表1所示。
合金抗拉强度达到580M Pa ,屈服强度为570M Pa ,断后伸长率为8%。
表1 试验合金成分(质量分数/%)T able 1 T he component o f alu m i nu m a lloy (m ass fracti on /%)Zn M g Cu M n T i C r N i Fe S i A l 5.682.401.630.140.220.180.0440.180.06Ba.l疲劳试验在PLA30050疲劳试验机上进行,参照GB /T 4337)1984制成标准圆棒光滑试样。
试验在室温下进行,应力水平设置在518MPa 到200MPa 之间测试轴向应力疲劳性能,疲劳试验的应力比R =-1,即轴向拉压对称加载,控制波形为正弦波,循环加载频率为20H z 。
试样在机器上循环加载直至断裂,记录加载周次。
将疲劳断口完整切下,浸于酒精中在超声波清洗仪中清洗,而后在JS M-7001F 型扫描电子显微镜下进行断口形貌观察和分析,并用扫描电镜自带的I nca Ener gy 350能谱仪作EDS 分析。
2 试验结果与分析2.1 疲劳寿命曲线将测得的试验数据拟合得到S-N 曲线(图1),数据点基本平均分布在曲线两侧,较为吻合。
S-N 曲线没有水平部分,只是随着应力的降低,循环周次不断增大。
通常,如果材料应力循环107周次不断第4期7075-T651铝合金疲劳特性研究裂,则可认为其承受无限次应力循环也不会断裂,并将107周次作为测量疲劳极限的条件基数。
根据文献[9]的方法,如以107次为基数,按由大到小的顺序加载,试样在R i 时,不到107次就发生断裂,而试样R i +1应力循环107次仍未发生断裂,并且两个应力的差R i -R i +1小于R i +1的5%,则R i 和R i +1的平均值就是条件疲劳极限,即R -1=(R i +R i+1)/2。
应用该方法进行条件疲劳极限的测定时,要求至少有两根试样达到试验循环基数(107)而不破坏,以保证试验结果的可靠度。
从S-N 曲线变化的趋势看,当应力水平小于220M Pa 的情况下,疲劳寿命基本都能达到107。
当R 为228MPa 时,试样在接近107周次发生断裂,而当R 为218MPa 时,循环周次达到1.06@107也未发生断裂,R 为198MPa 时,循环周次也达到1.15@107未断裂,符合基本条件,因此求得条件疲劳极限为223M Pa 。
该方法虽然不如升降法能精确的测定出疲劳极限,但能大致估算出疲劳极限的应力水平。
图1 7075-T 651铝合金的S-N 曲线F i g 11 T he S-N curve o f 7075-T 651a l u m i nu m a ll oy2.2 疲劳断口形貌观察与分析采用扫描电镜观察了两个不同应力幅下合金的疲劳断口形貌,在应力幅460M Pa(图2a)和228MPa (图2b)的局部断口照片中,从左至右分别为裂纹源和裂纹扩展区。
裂纹源是疲劳破坏的起点,它位于接近表面的扩展区内部,裂纹源起源于试样次表面的缺陷,如孔洞、夹杂等。
这些缺陷都起着尖缺口的作用,促使应力集中,促进疲劳裂纹的萌生。
如果试样内部不存在缺陷,则裂纹源一般在表面处形成[10]。
在本试验合金中存在两种裂纹萌生可能:一种是合金生产过程中产生的缺陷导致裂纹萌生,如图2b 的加工缺陷;另一种是由第二相与基体界面脱粘而形成裂纹源。
图2的裂纹源区都可以看到一些第二相,对其进行EDS 能谱分析可知有的是凝固过程中形成的富Fe 金属间化合物(图2c),另一些是高硅氧化物(图2d)。
当合金中的位错在应力作用下开动,位错运动至第二相处产生应力集中。
这些第二相颗粒在交变应力作用下与基体沿界面分离(含硅相),或者本身由于属于脆性相而发生断裂(富铁相),这两种情况都可能导致裂纹的萌生。
因此,减少降低高强铝合金在熔炼过程中杂质含量,将会极大的改善其疲劳性能。
疲劳断口上光滑、细洁的小区域是裂纹扩展区,反复的张开和闭合使断口两面相互挤压和摩擦,形成了断口上最细滑的区域。
对比图2,低应力幅相对高应力幅疲劳断口上疲劳裂纹稳定扩展区所占面积较大,失稳扩展区和瞬断区较小,这也就意味着随着载荷的降低,疲劳寿命会越来越长。
从图2b 中可见,以裂纹源为中心向四周辐射的放射台阶和条纹,它们的方向与裂纹扩展方向一致;而图2a 高应力幅下疲劳断口稳定扩展区面积很小,由于载荷大,裂纹失稳扩展区所占面积较大。
疲劳裂纹扩展区是疲劳断口上最重要的特征区域,460M Pa 下的裂纹扩展区形貌如图3所示,在图3a 当中,裂纹扩展区为较平缓的台阶,呈现出细涟波纹理,未发现明显的疲劳条带。
这是由于热处理后的7075铝合金中存在着大量的纳米强化相,使裂纹形成后的扩展受到很大的阻力,裂纹在晶粒内部扩展困难,导致裂纹彼此相邻边界处发生较大的变形,从而以撕裂的方式连接,使部分晶粒片层断裂,呈现出小平面断裂的特征[11]。
但与一般的小平面断裂有着明显区别的是,疲劳断口上的撕裂棱之间有着明显的过渡区域,存在一定的塑性变形,在其内部可以看到大量的犁沟与纳米尺度的第二相颗粒,如图3b 所示。
图3e 的EDS 分析结果显示,这些第二相是7075铝合金的主要强化相M gZn 2相,在片层撕裂过程中第二相颗粒在高载荷作用下做刨削运动,因而在断口表面上留下了大量的犁沟。
同时断面上局部出现了如图3c 中箭头所示的轮胎花样,它是高应力幅下疲劳断口所特有的特征形貌。
根据C .D.Beache m [12]的说法,这是裂纹在扩展过程中匹配面上的棱角或硬的夹杂物、第二相颗粒等在循环载荷作用下向前跳跃式的运动,在裂纹张开和闭合时连续地被压入裂纹表面而形成的大体互相平行、间距相等的排压痕样。
图3d 为接近瞬断区的裂纹失稳扩展区的照片,主要以大量的拉断台阶为主,有明显的脆性沿晶开裂,晶面之间不再出现之前的犁沟,而是在台阶之间分布着一些裸露的第二相颗粒。
说明此时的过载已经很大,第二相颗粒来不及在循环载荷之下做刨削运动,而迅速开裂。
93航空材料学报第30卷94第4期7075-T651铝合金疲劳特性研究 7075-T651铝合金在228MPa 下的裂纹扩展区形貌如图4所示,可以看到其断口形貌与460MPa 下的断口形貌截然不同,有较为明显的脆性疲劳断口的特征,是伴随着小平面断裂而形成的。
图4a 中可以看到羽毛状的扩展花样。
这是由于当疲劳裂纹由一个晶粒向另一个晶粒扩展时,在晶界处位错运动受阻,由位错塞积造成的拉应力引起开裂,萌生了新的裂纹,为了追求最少的能量消耗,裂纹就会扩展到附近不同的晶面上去,形成羽毛状特征[13]。
同时可以看到,裂纹扩展区内存在较多的坑洞,它们会使材料的疲劳性能下降。
从图4b 中可看到大量的疲劳条带,它是裂纹扩展时留下的微观痕迹,疲劳条带的方向和裂纹扩展方向垂直,平均间距为0.08L m,每一条条带可以视作一次循环的扩展痕迹。
同时疲劳条带间存在着大量弥散的强化相,疲劳条带的宽度比一些尺寸偏大的强化相颗粒还小。
在形成疲劳条带的过程中,当疲劳裂纹扩展遇到析出相时,析出相会对其产生阻碍,裂纹必须绕过析出相才能继续扩展,在此过程中一些颗粒被/拔出0基体而留下空洞。
所以合金中细小而弥散的析出相对合金的疲劳性能的影响是积极的[14]。
在图4c 中可以看到,同一平面上的疲劳条带是连续而平行的,与垂直于裂纹扩展方向上的相邻小面上的条带保持连续,而与裂纹扩展前方的相邻小面上的条带则不连续,不平行。
说明裂纹在一定范围内是在多个晶面上同时向前扩展后相交;在遇到前方晶界时,裂纹前沿受阻,其条带取向将发生改变,所形成的疲劳台阶也是一种重要的微观特征。
图4d 为疲劳失稳扩展区的微观特征,裂纹扩展速率加快伴随着断口上出现大量的二次裂纹,它也是疲劳断口的一种重要微观形貌。
二次裂纹往往与疲劳条带保持平行,既有沿晶断裂也有穿晶断裂,在本试验中,主要以沿晶断裂为主。
二次裂纹在断口上呈断续分布,其深度远大于条带在断口上的深度。
图4 应力幅为228M P a 下的高周疲劳疲劳裂纹扩展区形貌F i g 14 SE M m orpho logy of fati gue crack propagation reg i ons unde r stress a m plit ude of 228M Pa当疲劳裂纹扩展到临界尺寸后发生失稳扩展,就形成了断口上的瞬断区。
