分享：应力控制下７０７５ＧT６５１铝合金的疲劳断裂行为
陈 涛１,赵路远１,李 慧１,黄 俊１,２,吴玉程１,２
(合肥工业大学１．材料科学与工程学院;２．安徽省有色金属材料与加工工程实验室,合肥 ２３０００９)
摘 要:在不同应力幅下(６０％σs,７０％σs,８０％σs,９０％σs,σs 为试验合金屈服强度)对 ７０７５ＧT６５１铝合金进行了应力控制下的疲劳试验,研究了其循环应变响应,观察了疲劳断口形貌、表面损伤形貌以及显微组织,分析了疲劳裂纹的萌生及扩展机制.结果表明:试验合金中析出了微米级的Al７Cu２Fe颗粒、纳米级的η′(MgZn２)相和尺寸较大η(MgZn２)相,此外,还存在尺寸为３~１０nm的细小球状 GP区;在较高应力幅(８０％σs,９０％σs)控制下,试验合金表现出先软化后硬化直至断裂的疲劳行为,而在较低应力幅(６０％σs,７０％σs)下则先软化后明显硬化并趋于稳定;试验合金主要发生微孔聚集韧窝型断裂,在较高应力幅下,裂纹源位于粗大夹杂物 Al７Cu２Fe和第二相 MgZn２ 处,位错大量缠结,而在低应力幅下,裂纹源位于基体轻微撕裂处,位错形态为分散的短或长直位错线.
关键词:７０７５ＧT６５１铝合金;显微组织;疲劳断裂行为
中图分类号:TG１３ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ０００１Ｇ０５
０ 引 言
AlＧZnＧMgＧCu系合金因具有比强度高、耐腐蚀性能和热加工性能好等优点,被广泛用于制造飞机、船舶、汽车及铁路车辆等的结构件[１Ｇ６],在这些结构件 的 断 裂 失 效 中 疲 劳 失 效 占 ５０％ ~９０％[７].MERATI等[８]研究了７０７５ＧT６和７０７９ＧT６铝合金疲劳性能和显微组织的关系,发现在循环载荷作用下疲劳裂纹易萌生于粗大的第二相颗粒处,并在位错塞积作用下颗粒自身发生断裂或与基体脱黏导致微裂纹产生.周昆等[９]发现７０７５ＧRRA 铝合金的低周疲劳裂纹主要萌生于滑移带,或者析出物与基体交界处.然而材料的疲劳断裂既与其加载条件有关,又受其显微组织影响,为了探究这三者之间的关系,作者选用 T６５１热处理的７０７５铝合金(一种具有代表性的 AlＧZnＧMgＧCu系合金),在应力控制下对其进行了疲劳试验,观察了疲劳断口形貌和显微组织,分析了疲劳断裂行为,以期对该合金显微组织和性能有更全面的认识,为该合金的应用提供可靠依据.
１ 试样制备与试验方法
试验用７０７５铝合金由西南铝业提供,其化学成分如表１所示.先将该合金坯料加热至４２０℃,再用１２５００t挤压机挤压成尺寸为１１０mm×１３０mm×２３０mm 的块状铸锭;将铸锭加热至４７０ ℃保温２h后水淬,随后进行１２０ ℃×２４h的时效处理(水淬),最后 进 行 预 拉 伸(变 形 量 ２％),得 到 试 验 用 ７０７５ＧT６５１铝合金.
根据 GB/T２２８－２００２,在试验合金上加工出?８mm×４０ mm 的拉 伸 试 样,在 MTSLandmark２５０KN 型电液伺服试验机上进行静载拉伸试验,拉伸速度为２mm??min－１,测得其抗拉强度σb、屈服强度σs、伸长率 A、断面收缩率 Z 分别为 ５２９ MPa,４５０MPa,１０％,６．８％.根据 GB/T４３３７－２００８,将 试 验 合 金 加 工 成?６．５mm×２８mm 的疲劳试样,利用 MTSLandmark２５０KN 型电液伺服试验机在室温下进行应力控制下的疲 劳 试 验,采 用 正 弦 波 加 载,应 力 幅 分 别 为６０％σs,７０％σs,８０％σs,９０％σs,频率为２５Hz,应力比为０．５.用SU８０２０型场发射扫描 电 镜(SEM)和JEMＧ２１００F型场发射透射电镜(TEM)观察试验合金的显微组织,并用SEM 附带的能谱仪(EDS)测析出相成分.此外,还用上述扫描电镜和透射电镜分别观察了疲劳断口、表面损伤形貌以及疲劳试验后试样的位错组态.透射电镜试样先机械减薄至８０μm 左右,再在TenupolＧ５型电解双喷仪上进行双喷,双喷时的电压为１５~２０V,温度为－２５ ℃,液氮冷却,双喷液为３０％硝酸＋７０％甲醇(体积分数)混合溶液.
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
７０７５铝合金是一种典型的可时效强化型高强铝合金,其时效强化相析出顺序为 α相(过饱和固溶体)、GP区、η′(MgZn２)相 和 η(MgZn２)相.GP区为与基体完全共格的溶质原子偏聚区,η′相为与基体半共格的亚稳析出相,η相为与基体非共格的平衡析出相[１０Ｇ１２].由图１可见:７０７５ＧT６５１铝合金的显微组织中存在大量微米级无规则形状的粗大分析出相,析出相主要沿轧制方向分布于晶界处。
这些粗大析出 相 与 基 体 界 面 处 出 现 明 显 孔 洞,疑 似因腐蚀所致,孔 洞 的 存 在 使 得 这 些 析 出 相 颗 粒 易剥落;粗大析出相中的铝、铜、铁元素含量较高,应为 Al７Cu２Fe相[１３Ｇ１５].由图２可知,７０７５ＧT６５１铝合金晶内或晶界处析出大量长约１００nm、宽约２０nm 的椭球状或片状η′强化相以及少量较大的板条状η相,同时基体中还存在大量尺寸为３~１０nm 的细小球状GP区.
２．２ 循环应变响应
图３中的应变范围为每个循环周次中的最大和最小应变之差.由图３可以看出:７０７５ＧT６５１铝合金在不同应力幅下有不同循环应变响应,但无论应力高低,在初始循环周次条件下,应变范围均随循环周次的增加明显增大,即出现了显著的软化现象;在高应力幅(９０％σs,８０％σs)下,试验合金软化至应变范围最大值后持续硬化直至断裂失效;而在低应力幅
(７０％σs,６０％σs)下,合金在最初软化后明显硬化随之趋于稳定.这种短期且明显的循环软化响应与塑性变形在循环初期的快速积累直接相关,而缓慢且长期循环硬化稳定阶段与合金原始显微组织、粒子与位错交互作用、位错的增殖与湮灭等位错密度动态变化相关.
２．３ 疲劳断口形貌
对７０７５ＧT６５１ 铝合金在不同应变幅下进行疲劳试验,观察其断口形貌发现:断口高低不平且在瞬断区有大量的韧窝,因此其主要断裂方式为微孔聚集韧窝型断裂;高应力幅(９０％σs,８０％σs)下的疲劳断口特征极为相似,只是应力幅越大,疲劳裂纹的萌生区和扩展区所占比例越小,疲劳裂纹扩展速率越大.以８０％σs 应力幅作用下的疲劳断口为例进行分析.由图４可见:断口疲劳裂纹源周围存在显著的放射线特征,这是裂纹在尖端应力场作用下因阻力不同而发生偏转,沿一系列存在高度差的宏观平面向周围扩展,形成不同断裂面并相交而成的;断口局部区域出现了犁沟、凹陷、疲劳台阶、疲劳条带和二次裂纹等,这些疲劳条带彼此平行,其法线方向为裂纹扩展 方 向,且 间 距 随 着 裂 纹 的 扩 展 而 单 调 递增[１６Ｇ１７];断口处存在大量韧窝或孔洞.在循环应力作用下,合金中的位错大量增殖且因剧烈滑移发生堆积,导致脆性富铁相发生破裂或与基体脱离而形成许多微小孔洞,或在变形较大的区域于 MgZn２ 相处产生许多显微孔洞.这些孔洞在外力的作用下不断长大、聚集、桥接在一起形成裂纹并不断扩展,最终形成韧窝或孔洞.富铁相的脱离还导致韧窝或孔洞周围存在着大量的解理台阶,降低了合金的疲劳性能.此外,合金中弥散分布的大量第二相使裂纹扩展时受到的阻力增大,裂纹与晶界交汇时使晶粒变形,导致部分晶粒片层断裂,这些结果与他人研究结果相似[１８Ｇ１９].
２．４ 表面疲劳损伤形貌
由图５可以看出:在较低应力幅(６０％σs)循环作用下,７０７５ＧT６５１铝合金试样表面出现了大量垂直于加载方向的微裂纹,这种现象在７０％σs 应力幅下同样可观察到(图略);表面基体上有粗大颗粒析出,其EDS谱显示该颗粒为 Al７Cu２Fe;在８０％σs 应力幅循环作用后,试样表面的粗大颗粒开裂或者与基体脱黏,这一现象在９０％σs 应力幅下更为明显(图略).
当对合金施加循环载荷时,位错在应力作用下运动,当运动至夹杂物或第二相处受阻形成塞积,这些夹杂物或第二相粒子在交变应力作用下发生断裂或与基体沿界面分离,从而导致裂纹的萌生.在较小的应力幅循环作用下,位错塞积缠结少,应力集中较小,不会导致硬而脆的 Al７Cu２Fe颗粒的开裂或与基体脱黏,但是在局部区域塑性变形的长久累积会导致基体出现损伤裂纹.在较大应力幅循环作用下产生了较多的位错,位错在颗粒周围塞积缠结,产生较大的应力集中,当此应力超过 Al７Cu２Fe颗粒的断裂强度时,颗粒破裂形成裂纹源;另一方面,当应力超过颗粒与基体的结合强度时颗粒与基体脱黏,基体表面因此产生不连续而造成应力集中,进而萌生出疲劳裂纹.
２．５ 疲劳试验后的位错组态
由图６(a)和６(c)可看出,试验合金中位错于晶界处塞积,晶界具有阻止位错直接运动到相邻晶粒的作用.在低应力幅(６０％σs)循环作用下产生的位错呈分散的短或长直位错线,部分位错被析出相钉扎而弯曲缠结,且分布不均匀,如图６(b)所示.在高应力幅(８０％σs)循环作用下,晶内位错大量增殖,位 错弹性应力场增强,致使晶体内的长程内应力增加,晶界及第二相粒子对位错的钉扎作用加强,减小了 可动位错的平均可动自由程,如图６(d)所示;长程内应力及短程内应力的增加使位错移动的阻碍增强,位错局部缠结的程度增大[２０].
３ 结 论
(１)７０７５ＧT６５１ 铝 合 金 中 析 出 了 微 米 级 的Al７Cu２Fe颗粒,以及长约１００nm、宽约２０nm 的η′(MgZn２)和尺寸较大的η(MgZn２)弥散强化相,此外,基体中还存在尺寸为３~１０nm 的细小球状 GP区.
(２)随循环周次的增加,在较高应力幅作用下,７０７５ＧT６５１铝合金表现出先软化后硬化直至断裂的疲劳行为,而在低应力幅控制下,合金在最初软化后明显硬化最终趋于稳定.
(３)７０７５ＧT６５１铝合金的疲劳断口表面高低不平且在瞬断区有大量的韧窝,其主要断裂方式为微孔聚集 韧 窝 型 断 裂;在 较 高 应 力 幅 作 用 下,７０７５ＧT６５１铝合金中的裂纹源位于粗大析出相 Al７Cu２Fe和 MgZn２ 相处,位错大量缠结;而在低应力幅作用下,裂纹源位于基体轻微撕裂处,位错形态为分散的短或长直位错线.其他腐蚀特征基本相同,不同的是以均匀腐蚀为主.
(4)在模拟腐蚀环境中,TC４合金、Inconel７１８合金 与 HR３C 不 锈 钢 均 具 有 比 ３１６L 不 锈 钢 和３１６Lmod不锈钢更好的耐蚀性能;钛合金表面存在连续的氧化物膜,腐蚀过程以 腐 蚀 产 物 Fe２O３ 和Cr２O３ 的沉积为主;镍基合金在腐蚀初期出现微量的溶解腐蚀,之后以腐蚀产物沉积为主;HR３C不锈钢在腐蚀初期发生了明显的晶间腐蚀,之后以腐蚀产物沉积为主.
