铝合金材料的疲劳研究进展

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。

由于疲劳裂纹的萌生在整个疲劳裂纹形成过程中占有相当重要的地位，因此，很多学者对疲劳裂纹的萌生进行了研究。

Chen和Tokaji[3]研究了2024铝基SiC粒子增强相复合材料的疲劳裂纹萌生行为，发现了疲劳裂纹萌生的阻力随着SiC粒子数和尺寸的增加而减小，裂纹的萌生大多数与粗大粒子有关，并且粒子和基体间的界面存在剥离现象，使得裂纹萌生于粒子尖端处，这可能与粒子的尺寸和形状相关。Campbell[4]等人研究了319-T7铸造铝合金的的疲劳裂纹萌生行为，发现疲劳萌生起源于铸造中产生的气孔等孔洞，并且裂纹源区与氧化膜的形成也有关。 Shaniavskiy[5]等人研究了飞机Tu-154M上液压泵的AL5铝合金的疲劳裂纹萌生机制，发现AL5铝合金的铸造缺陷对疲劳裂纹的萌生有很大的影响，其影响了材料疲劳裂纹萌生区的应力状态。ZHAI[6]研究了铝锂合金疲劳裂纹萌生处的强度分布情况，发现在L方向疲劳性能最差、S方向最佳，并且表面裂纹的形成随着应力水平的提高而增加，同时其表面裂纹通过韦伯公式来分析了疲劳裂纹薄弱区的密度和强度分布状况。Merati[7]观察了2024-T4合金中萌生裂纹与未萌生裂纹的粒子尺寸,发现萌生了裂纹的粒子是观察到的粒子中尺寸最大的。Payne J[8]等人采用扫描电镜（SEM）观察了7075-T651铝合金疲劳裂纹的萌生演化过程，发现粗大的第二相粒子对疲劳裂纹的萌生行为有显著的影响。Mirzajanzadeh[9]等人研究了7075铝合金试样过盈装配对疲劳裂纹萌生行为的影响，发现过盈装配的断裂试样，其疲劳裂纹萌生于开孔试样的最小横截面中间，与孔洞边缘的微动磨损有很大的关系。

显然，缺陷薄弱区、第二相粒子的粗大、气孔和孔洞集中区域、界面交界处对疲劳裂纹的萌生行为有显著的影响，是铝合金材料中主要裂纹生源。但是这些因素的对疲劳裂纹萌生的影响很复杂，需要进一步通过SEM原位观察等手段来分析其裂纹萌生的演变过程，确定其各个因素与裂纹萌生行为的关系，同时也可以改进制备工艺等手段来减少裂纹萌生。

2.2疲劳裂纹的扩展

研究疲劳裂纹的扩展规律是疲劳裂纹试验过程中的基础环节，疲劳裂纹的扩展微观模式受材料的滑移特性、晶界和晶粒取向、析出相、显微组织特征尺寸、应力水平及裂纹尖端塑性区尺寸等的影响。一般可以将疲劳裂纹的扩展分为三个阶段：近门槛扩展阶段、高速扩展阶段(Paris区)和最终断裂阶段。

Forsyth[10]把导致z字型裂纹扩展路径的纯滑移机制定义为第Ⅰ阶段裂纹扩展，并且在许多铁合金、铝合金和钦合金中都己经观察到裂纹的第Ⅰ阶段扩展。Forsyth[10]还指出对于大多数合金来说，第I阶段扩展通常很短，但是当应力强度因子范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒，这时裂纹扩展开始沿两个滑移系统同时或交替进

行，他把这种以双滑移机制扩展定义为第Ⅱ阶段扩展。在很多工程合金材料的第Ⅱ阶段断口上通过SEM可观察到疲劳条纹。

近年来，国外对疲劳裂纹扩展行为的研究关注度也很高。Ranganathan等人[11]研究了铝锂合金的疲劳裂纹扩展机理，发现疲劳裂纹的辉光条纹在块加载情况下的的形貌有别于传统延展性较好的辉光条纹，这种特殊加载情况下形成的疲劳条纹是由于在间断的疲劳裂纹扩展过程中所发生的多滑移系以及滑移均质化所致。Grayson等人[12]研究了2系铝合金的疲劳裂纹扩展行为，观察断裂表面发现三个明显区域：区域Ⅰ包括裂纹的起源和早期的晶内裂纹扩展；区域Ⅱ由于脆性Al2Cu 粒子在裂纹塑性区尖端开始发生断裂，使得材料的晶界成为裂纹优先扩展的位置，所以其扩展规律变为晶粒间的裂纹扩展机理，这个扩展机理的变化明显区分了区域Ⅰ和Ⅱ；区域Ⅲ中，疲劳裂纹进一步扩展，由于孔隙聚结最终试样发生断裂，其呈现的金相微观特征为：晶粒取向交叉平行、犁沟辉光条纹和台阶状的疲劳裂纹等特征。Gasqueres等人[13]研究了AA 2024A T351铝合金在223K时的疲劳裂纹扩展行为，其疲劳扩展机制在随着环境温度的改变有很明显的变化，这个变化体现在疲劳裂纹扩展在室温下的第Ⅱ阶段过渡到223K时疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。223K时的第Ⅰ阶段裂纹扩展随着平面滑移的增加而变化，并且受低温和低压的影响。Michel等人[14]研究了铝合金在不同环境条件下疲劳裂纹扩展机理以及各种因素对其的影响，发现2系和7系铝合金在满足特殊环境、应力比、频率及应力强度因子范围条件下，其裂纹扩展机制表现为表面单层氧化膜中亚稳相的断裂机理，并且其裂纹尖端的位错从单平面滑移演变为多平面滑移机制。Kamp 等人[15]研究晶界对铝合金疲劳裂纹扩展的影响，发现晶界从一定程度上阻碍了驻留滑移带的穿晶扩展，并且它是一种弱化的裂纹扩展路径，裂纹倾向于沿晶界或亚晶界扩展。Zhai 等人[16]研究了2系和7系铝合金中析出相对疲劳裂纹扩展的行为的影响和作用，发现当析出相为可剪切的粒子时，疲劳裂纹的扩展抗力较高，相反，这时滑移出现不可逆现象，其可以致使裂纹持续的扩展。

因此，研究铝合金疲劳扩展裂纹尖端产生位错的作用机理，研究位错与滑移、应力水平、微观结构特征尺寸以及尖端塑性区尺寸对疲劳裂纹扩展的影响是相当有意义的，但是在β相、GP 区、相界和裂纹尖端塑性区对裂纹扩展路径和裂纹偏析的影响问题上仍有待改善和研究。

2.3疲劳裂纹的影响因素研究

疲劳行为是一个复杂的变化过程，涉及影响疲劳裂纹的因素颇多，国外学者对疲劳裂纹的影响因素进行了长期的研究，并且从各个角度分析归纳了疲劳裂纹的影响因素。

Sharma等人[17]研究了AA 2219铝合金各种时效处理对裂纹的疲劳行为的影响，发现在自然时效处理下的合金对疲劳裂纹萌生的阻力最大。在阀值区的欠时效合金由于低疲劳裂纹扩展速率的影响，其平面滑移系存在滑移不可逆性，然而在峰时效和过时效合金中，其多滑移系及其滑移可逆性又导致了高的疲劳裂纹扩展速率。上述表明在低?K值下的欠时效合金微观结构对疲劳行为产生有利的影响，相反，在高应力强度范围下，由于欠时效合金的大驱动力作用而造成的低屈服强度导致了较大的疲劳裂纹扩展速率。Hagihara等人[18]研究了A6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头，在氢气环境下对接头疲劳裂纹扩展的影响，发现裂纹的萌生在热影响区并且扩展导致断裂。在氢气环境下，铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的疲劳寿命不如在氮气环境下的好，但基本与母材相同。在裂纹扩展早期，接头的疲劳裂纹扩展速率相比于母材要快，这可能是由于过时效合金的微观结构特征所致。Burlat等人[19]研究了低温工作环境对7475-T7351铝合金的疲劳寿命的影响，发现低温环境能给材料的疲劳寿命带来有利的影响，但是高残余应力给材料的疲劳寿命带来了负面作用，而其中残余压应力又对裂纹扩展有延迟阻碍作用。Zupanc和 Grum[20]研究了斑蚀对7075-T651铝合金的疲劳行为的影响，发现了铝合金的疲劳性能大大下降是由于材料的斑蚀诱发的应力集中而导致的，通过喷丸处理而获得的表面压应力和表面硬化作用能有效的阻碍裂纹的萌生和扩展从而延长了疲劳寿命。Wasekar等人[21]研究了6061-T6微弧氧化镀层铝合金在预置腐蚀环境下对疲劳行为的影响，发现预置在 3.5%氯化钠溶液中进行疲劳试验，明显降低了材料在交变应力下的高周疲劳寿命，而微弧氧化镀层相比于无镀层铝合金有抵抗腐蚀的作用。Kassim等人[22]研究了预应变对7050-T7451铝合金的影响，研究表明随着预应变的增加疲劳寿命有明显减少，这可能是由于裂纹萌生时材料微观结构的改变引发的。Tokaji[23]研究了应力比对SiC粒子增强相铝基复合材料的影响，在R=-1时，疲劳强度和无增强相粒子铝合金材料相同，而在R=0和0.4时疲劳强度有明显的下降，主要由于拉应力对SiC/Al复合材料的不利影响所致，另外疲劳裂纹萌生于增强相和基体界面处并且沿着界面扩展，在拉应力作用下SiC粒子和基体间较容易出现剥落现象。Suraratchai等人[24]通过有限元分析了表面粗糙度对铝合金疲劳寿命的影响，发现由于表面粗糙而引起的应力集中降低了疲劳寿命，对疲劳行为产生了不利的影响。Lonyuk等人[25]研究了硬质阳极氧化和等离子电极氧化镀层对7475-T6铝合金疲劳性能的影响，发现氧化镀层大大降低了材料的疲劳强度，残余拉应力和应力集中是引起疲劳强度下降的主要原因，而残余压应力有利于疲劳性能。Oskouei和Ibrahim[26]研究了热处理对7075-T6铝合金TiN镀

层的疲劳性能影响，通过PVD所得TiN镀层明显地降低了拉力、疲劳强度以及疲劳寿命，而经过后热处理，可以大大改善其疲劳性能。Liljedahl等人[27]研究了焊接残余应力对2024-T351铝合金接头疲劳行为的影响，发现残余拉应力加速焊接接头疲劳裂纹扩展速率，而残余压应力减速疲劳裂纹扩展速率。Balasubramanian等人[28]研究了脉冲焊接电流和焊后时效处理对AA7075铝合金焊接接头疲劳行为的影响，发现采用脉冲焊接电流有利于增强焊接接头疲劳裂纹扩展抗力，同时焊后人工时效处理也减缓了焊接接头疲劳裂纹扩展速率。

影响铝合金疲劳行为的因素非常广泛，并且随着国内外学者的不断深入研究，诸多问题暴露于工程应用之中。目前只能从单因素或几个因素联合研究对铝合金材料的疲劳行为的影响，却没有办法将所有因素综合考虑去进行研究分析。

2.4疲劳微观机理研究

目前在疲劳的微观机理研究方面，虽然有些研究，但是研究不够深入。Osama和Karl-Heinz[29]研究了AA2618铝合金材料的微观结构对低周疲劳行为的影响，指出低周疲劳寿命随着微观结构的亚晶粒数量的变化而变化，晶粒尺寸决定了屈服强度的大小，可以用Hall-Petch关系解释。Catherine和Lataillade[30]研究了2017A-T3和5454-O铝合金微观结构对疲劳加载后残余冲击性能的影响，发现疲劳加载和微观结构的残余冲击性能无直接关联，疲劳破坏和断裂过程与材料的微观结构却有很大的关系，两种材料的微观结构不同造成对疲劳加载破坏的敏感度的不同。Borrego等人[31]研究了微观结构对高强铝合金疲劳裂纹扩展的影响，表明疲劳裂纹的闭合效应和材料微观结构有密切关系，在富Mn或Cr元素的高强铝合金中，其粗糙度诱发的裂纹闭合效应可以降低裂纹扩展的驱动力。Froustey等人[32]研究了预应变铝合金疲劳行为和微观结构性能的关系，指出Al-Cu 合金高周疲劳断裂表面的破坏区诱发的原因在材料的微观结构。Fonte等人[33]研究了7049铝合金在不同负应力比和环境气氛下的微观结构对疲劳行为的影响，不同负应力比和环境下的微观结构决定了疲劳应力强度因子K max的阀值，主要表现为滑移机制上不同的微观机理，对疲劳裂纹扩展抗力的不同。Starink等人[34]研究了微观结构对Al-Cu-Mg-Li合金疲劳裂纹扩展的影响，晶粒尺寸和再结晶程度都对裂纹扩展的抗力有一定影响。

现有对铝合金材料的微观结构的研究仍有许多问题存在争议，已有的理论和模型需要改善和更新。在晶粒大小、晶粒取向、晶界、再结晶程度、脆性杂质相、表面粗糙度、缺陷、析出相等微观结构上所表现出的作用机制（应力应变集中，表面滑移台阶、裂纹闭合、分叉、滑移可逆性等）都需要进一步深入研究，另外对纳米级晶粒的微观组织特征的研究还处于探索阶段，需要得到重视。

3 结束语

在过去的几十年出现了许多有利于理解铝合金材料的疲劳行为的文献，给实际工程应用带了许多益处。但是，在铝合金疲劳上的许多问题仍有待改善。铝合金疲劳裂纹主要萌生于第二相粒子、表面缺陷、晶界、夹杂物与基体界面处，同时疲劳裂纹的扩展微观模式受材料的晶界和晶粒取向、再结晶程度、应力水平及裂纹尖端塑性区尺寸、显微组织特征尺寸、析出相等的影响。这些微观特征机理表现出应力集中、应变集中、表面滑移机制、裂纹闭合效应、裂纹偏折、分叉、滑移可逆性等作用机制。对于铝合金材料的疲劳寿命，也需要根据疲劳行为的各个因素，基于理论数值分析和实际工程应用实验得出更加出色准确的疲劳寿命预测公式。而针对于多轴非比列的铝合金疲劳行为和微观结构特征的研究必将成为又一个热点。

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