Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金板材的低周疲劳行为

Al-Zn-Mg-Cu系合金的比强度高、加工性能优良，在汽车制造、轨道交通以及航空航天等领域得到了广泛的应用 [1~4] 这类合金板材的力学性能，与其取样方向有密切的关系[5~8] 陈艳霞等[9]研究了2124铝合金样品的轴向沿不同轧制方向的的拉伸性能，发现与垂直轧制方向相比沿轧制方向的断面收缩率、断裂伸长率较高，沿两个方向的抗拉强度与屈服强度基本相同 同时，还基于Schmid因子分布及晶粒取向差分布解释了合金沿不同轧制方向的拉伸性能不同的原因 Fu等[10] 观察Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的显微组织并探讨了其与力学性能之间的联系，发现合金沿轧制方向的综合力学性能最佳，变形和固溶处理后在垂直轧制方向发生再结晶的程度明显高于沿轧制方向 陈军等[11]研究沿不同取向条件7475铝合金的高周疲劳性能时发现，合金板材垂直轧制方向的疲劳裂纹扩展速率远高于沿轧制方向

Al-Zn-Mg-Cu系合金结构件在服役过程中承受交变载荷，因此研究其疲劳性能有重要的意义 Jian等[12]研究了2124铝合金高周疲劳裂纹的扩展规律，发现疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展 粗大的第二相与晶粒间的取向差使裂纹的扩展路径发生偏折，主裂纹沿{111}晶面扩展 张笑宇等[13]研究了在低周疲劳加载条件下时效处理对Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金性能的影响，发现在0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的外加总应变幅条件下呈现出循环稳定；在0.8%外加总应变幅条件下，呈现出先循环软化后循环硬化；还发现，在较低总应变幅条件下回归再时效处理态合金的疲劳寿命较高 陈胤桢等[14]研究了应变对7050-T7451合金低周疲劳行为的影响，发现在对称应变条件下合金呈现出循环软化 在非对称应变条件下，合金先硬化后稳定 在非对称应变条件下，合金发生与应变幅相关的应力松弛 Zhu等[15]研究了稀土元素Sc对Al-7Zn-2Mg-1.5Cu-0.1Zr合金低周疲劳性能的影响，发现Sc的添加使合金的循环应力幅值提高，其疲劳寿命在0.4%和0.6%外加应变幅下有所提高 本文进行RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu(%，质量分数)合金总应变控制的低周疲劳实验，对比研究RD和TD方向上合金的低周疲劳行为

1 实验方法

实验用材料为沿不同轧制方向取样的Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金板材 使用500 mm热轧实验机将Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金铸锭轧制为5 mm厚的合金板材，热轧温度为420℃，轧后空冷 合金板经470℃/1 h的固溶处理后进行150℃/26 h的时效处理 将热处理后的合金板材分别沿RD方向、TD方向加工成标距长度42 mm、标距宽度10 mm、试样厚度5 mm的拉伸试样与标距长度10 mm、标距宽度6 mm、试样厚度5 mm的低周疲劳试样，取样方式图如图1所示

图1



图1沿RD方向和TD方向取样方式示意图

Fig.1Schematic diagram for sampling mode in RD and TD direction

用WDW-100型电子万能试验机对RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金进行拉伸试验，拉伸应变速率为1×10-2 s-1 用MTS Landmark 370.10电液伺服疲劳实验机对RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金进行名义总应变幅(Δεt/2)为0.4%、0.5%、0.6%、0.7%与0.8%的低周疲劳实验 采用正弦波形，循环频率为1 Hz，应变比为R?=-1 疲劳实验在循环应力幅值降为峰值的80%时停止，将其疲劳寿命确定为此时的循环周次 在每个应变幅下使用两个平行试样

用S-3400N型扫描电子显微镜观察RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的低周疲劳断口形貌 用TenuPol-5型双喷减薄仪制备TEM样品 双喷减薄实验的电解液为30%的硝酸与70%的甲醇溶液，双喷电压为20.5 V，电解液温度为-25℃ 并分别用Zeiss Gemini SEM 300场发射扫描电子显微镜、Nordlys Nano电子背散射衍射仪与JEM-2100型透射电子显微镜观察和分析RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的显微组织

2 实验结果2.1 拉伸性能

图2给出了RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应力-应变曲线 可以看出，RD方向合金的抗拉强度为508.71 MPa，屈服强度为453.68 MPa，TD方向合金的抗拉强度为538.74 MPa，屈服强度为471.58 MPa TD方向合金的抗拉强度和屈服强度，均高于RD方向

图2



图2RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应力-应变曲线

Fig.2Stress-strain curve of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy (a) RD direction; (b) TD direction

2.2 循环应力响应行为

图3给出了在各个外加总应变幅下RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力响应对比曲线 可以看出，在所有外加总应变幅下整个循环变形过程中RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金均呈现出循环稳定 在相同外加总应变幅下，TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力幅值均高于其RD方向 这些结果，与TD与RD方向合金拉伸强度的差异是一致的

图3



图3RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力响应对比曲线

Fig.3Cyclic stress response curves of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy with RD and TD direction at various total strain amplitudes (a) 0.4%; (b) 0.5%; (c) 0.6%; (d) 0.7%; (e) 0.8%

2.3 循环应力-应变行为

图4给出了RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力与塑性应变关系曲线 可以看出，该合金在RD与TD方向的循环应力幅和塑性应变幅之间呈单斜率线性关系 Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力-应变行为遵从

Δσ/2=K'(Δεp/2)n'

(1)

其中，Δσ/2为最大应力幅，K?为循环强度系数，n?为循环应变硬化指数 用线性回归分析法定出的RD与TD方向合金的K?和n?的值，列于表1 表1表明，TD方向合金的K?值与RD方向的大致相当，但是RD方向合金的n?值大于TD方向

图4



图4RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力-应变曲线

Fig.4Cyclic stress-strain curves of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy

Table 1

表1

表1RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应变疲劳参数

Table 1Strain fatigue parameters of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy with RD and TD direction

Sampling directions	K’ /MPa	n’	ε’f /%	c	σ’f /MPa	b
RD	732.3	0.072	161.7	-1.63	1267.0	-0.14
TD	733.0	0.066	23.7	-1.52	1104.3	-0.13

2.4 疲劳寿命行为

图5给出了RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲劳寿命曲线 图5表明，在相同外加总应变幅下该合金在RD方向的疲劳寿命明显高于其在TD方向的疲劳寿命

图5



图5RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲劳寿命曲线

Fig.5Total strain amplitude versus fatigue life for Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy

在合金发生低周疲劳变形时，塑性应变幅(Δεp/2)、弹性应变幅(Δεe/2)与载荷反向周次(2Nf)之间的关系为

Δεp/2=ε'f(2Nf)c

(2)

Δεe/2=σ'fE(2Nf)b

(3)

其中，εf?为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数，σf?为疲劳强度系数，E为Young′s模量，b为疲劳强度指数

RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应变幅与载荷反向周次之间的关系曲线，如图6所示 可以看出，尽管取样方向不同，但是Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应变幅与载荷反向周次均呈线性关系 表1列出了用线性回归分析法确定的RD与TD方向合金的应变疲劳参数 从表1可见，RD方向合金的疲劳延性系数εf?与疲劳强度系数σf?均大于TD方向，而TD方向合金的疲劳延性指数c大于RD方向，但是其疲劳强度指数b相差不大

图6



图6RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的应变幅－载荷反向周次关系曲线

Fig.6Strain amplitudes versus reversals to failure curves for Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy (a) RD direction; (b) TD direction

2.5 疲劳断口的形貌

图7给出了外加总应变幅为0.4%时RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲劳断口形貌 图7a和7b分别给出了RD方向和TD方向合金的疲劳裂纹源区形貌 可以看出，裂纹源区较为平整且裂纹皆在试样自由表面以穿晶方式萌生，呈现出向四周辐射的放射性纹理 图7c和7d分别给出了RD方向和TD方向合金的疲劳裂纹扩展区形貌 可见两个方向合金的裂纹扩展区中均存在疲劳辉纹，说明疲劳裂纹扩展皆以穿晶方式进行 其中TD方向合金疲劳辉纹宽度明显大于RD方向，说明TD方向裂纹扩展速率高于RD方向

图7



图7RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲劳裂纹源区与裂纹扩展区形貌

Fig.7Photographs of fatigue crack initiation and fatigue crack propagation regions of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy (a) fatigue crack initiation region, RD direction; (b) fatigue crack initiation region, TD direction; (c) fatigue crack propagation region, RD direction; (d) fatigue crack propagation region, TD direction

3 讨论

在所有外加总应变幅下TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力幅值均高于RD方向，对此可从位错与第二相的交互作用方面加以解释 第二相对位错的钉扎与阻碍作用，使位错滑移的难度增大 图8给出了外加总应变幅为0.4%时RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的TEM照片与选区电子衍射花样(SAED) 由图8可见，合金中有大量呈短棒状约为50~300 nm的第二相粒子，即MgZn2相 相较于RD方向合金，第二相粒子均匀分布，TD方向合金中的MgZn2相尺寸较为细小，但数量明显增多 已有的研究表明，细小的第二相粒子对位错的阻碍作用更加明显[16] 因此，相较于RD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金，TD方向合金中位错的运动受到MgZn2相粒子的阻碍作用更为显著，其可动性更低，使其循环应力幅值提高 同时，由图9a、9b可见，针对RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金进行的EBSD分析发现，RD方向合金的显微组织呈典型的轧制变形结构，晶粒呈纤维状并沿轧制方向明显拉长，其晶粒平均长度约为300 μm TD方向合金的晶粒因垂直于板材方向的压应力作用而压扁，其晶粒平均宽度约为150 μm 由图9c、9d可见，Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的择优取向类型主要为{001}<100>织构 已有的研究表明[17~19]，晶粒尺寸和织构对合金的变形抗力有显著的影响，晶粒尺寸的差异和非等轴的形状特点造成晶界对不同方向强化作用的差异 由图9可见，TD方向合金的晶粒较小，在塑性变形过程中对位错的阻碍作用较大，即晶界对TD方向合金的强化作用较大；而RD方向合金的{001}<100>织构的形成造成该方向的塑形变形抗力低于TD方向 因此，TD方向合金的循环应力幅值高于RD方向

图8



图8RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲劳变形区TEM分析结果

Fig.8TEM analysis results for fatigue deformation zone of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy with different rolling direction (a) RD direction; (b) TD direction; (c) SAED

图9



图9RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的EBSD照片、极图(PF)与反极图(IPF)

Fig.9EBSD images, PF and IPF of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy (a) RD direction; (b) TD direction; (c) PF; (d) IPF

RD和TD方向Al-5.6Zn-2.4Mg-1.6Cu合金在所有外加总应幅下均表现出稳定的循环应力响应行为 在循环变形期间产生的新位错使合金中的位错密度提高，而在高密度位错的运动过程中生位错间的交互作用使不动位错等亚结构形成，加之第二相粒子对运动位错的阻碍使位错的可动性降低，产生硬化效应 另一方面，运动的异号位错相互捕捉而发生湮灭，从而引起软化 当硬化与软化效应达到平衡时，合金便表现出循环稳定

外加总应变幅为0.4%~0.8%，RD方向合金的低周疲劳寿命明显高于TD方向 其原因是，由表2可知，在相同外加总应变幅下TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力幅值均高于RD方向 在所有外加总应变幅下TD方向合金在循环变形过程中的疲劳损伤程度均高于RD方向；由图8可知，TD方向合金疲劳断口上的疲劳辉纹宽度明显高于RD方向，即TD方向合金中的疲劳裂纹扩展速率高于RD方向合金，降低了TD方向合金的低周疲劳寿命[20]

Table 2

表2

表2RD与TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循环应力幅值

Table 2Maximum stress range of RD and TD Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu alloy

Sampling direction	Δεt /2=0.4%	Δεt /2=0.5%	Δεt /2=0.6%	Δεt /2=0.7%	Δεt /2=0.8%
RD	282.5	376.8	417.5	435.6	449.8
TD	305.6	393.0	435.4	454.1	467.5

4 结论

(1) 在所有外加总应变幅下RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金均表现出稳定的循环应力响应行为，且TD方向合金的循环应力幅值均高于RD方向 RD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的低周疲劳寿命均高于TD方向

(2) 对于RD与TD方向的Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金，在低周疲劳加载条件下裂纹均在疲劳试样自由表面以穿晶方式萌生和扩展

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