Al-Zn-Mg-Cu系合金的比強(qiáng)度高、加工性能優(yōu)良，在汽車(chē)制造、軌道交通以及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [1~4] 這類(lèi)合金板材的力學(xué)性能，與其取樣方向有密切的關(guān)系[5~8] 陳艷霞等[9]研究了2124鋁合金樣品的軸向沿不同軋制方向的的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)與垂直軋制方向相比沿軋制方向的斷面收縮率、斷裂伸長(zhǎng)率較高，沿兩個(gè)方向的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度基本相同 同時(shí)，還基于Schmid因子分布及晶粒取向差分布解釋了合金沿不同軋制方向的拉伸性能不同的原因 Fu等[10] 觀察Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的顯微組織并探討了其與力學(xué)性能之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)合金沿軋制方向的綜合力學(xué)性能最佳，變形和固溶處理后在垂直軋制方向發(fā)生再結(jié)晶的程度明顯高于沿軋制方向 陳軍等[11]研究沿不同取向條件7475鋁合金的高周疲勞性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，合金板材垂直軋制方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)高于沿軋制方向

Al-Zn-Mg-Cu系合金結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中承受交變載荷，因此研究其疲勞性能有重要的意義 Jian等[12]研究了2124鋁合金高周疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展 粗大的第二相與晶粒間的取向差使裂紋的擴(kuò)展路徑發(fā)生偏折，主裂紋沿{111}晶面擴(kuò)展 張笑宇等[13]研究了在低周疲勞加載條件下時(shí)效處理對(duì)Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)在0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的外加總應(yīng)變幅條件下呈現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定；在0.8%外加總應(yīng)變幅條件下，呈現(xiàn)出先循環(huán)軟化后循環(huán)硬化；還發(fā)現(xiàn)，在較低總應(yīng)變幅條件下回歸再時(shí)效處理態(tài)合金的疲勞壽命較高 陳胤楨等[14]研究了應(yīng)變對(duì)7050-T7451合金低周疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)在對(duì)稱(chēng)應(yīng)變條件下合金呈現(xiàn)出循環(huán)軟化 在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變條件下，合金先硬化后穩(wěn)定 在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變條件下，合金發(fā)生與應(yīng)變幅相關(guān)的應(yīng)力松弛 Zhu等[15]研究了稀土元素Sc對(duì)Al-7Zn-2Mg-1.5Cu-0.1Zr合金低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)Sc的添加使合金的循環(huán)應(yīng)力幅值提高，其疲勞壽命在0.4%和0.6%外加應(yīng)變幅下有所提高 本文進(jìn)行RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金總應(yīng)變控制的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究RD和TD方向上合金的低周疲勞行為

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為沿不同軋制方向取樣的Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金板材 使用500 mm熱軋實(shí)驗(yàn)機(jī)將Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金鑄錠軋制為5 mm厚的合金板材，熱軋溫度為420℃，軋后空冷 合金板經(jīng)470℃/1 h的固溶處理后進(jìn)行150℃/26 h的時(shí)效處理 將熱處理后的合金板材分別沿RD方向、TD方向加工成標(biāo)距長(zhǎng)度42 mm、標(biāo)距寬度10 mm、試樣厚度5 mm的拉伸試樣與標(biāo)距長(zhǎng)度10 mm、標(biāo)距寬度6 mm、試樣厚度5 mm的低周疲勞試樣，取樣方式圖如圖1所示

圖1



圖1沿RD方向和TD方向取樣方式示意圖

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

用WDW-100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸應(yīng)變速率為1×10-2 s-1 用MTS Landmark 370.10電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金進(jìn)行名義總應(yīng)變幅(Δεt/2)為0.4%、0.5%、0.6%、0.7%與0.8%的低周疲勞實(shí)驗(yàn) 采用正弦波形，循環(huán)頻率為1 Hz，應(yīng)變比為R?=-1 疲勞實(shí)驗(yàn)在循環(huán)應(yīng)力幅值降為峰值的80%時(shí)停止，將其疲勞壽命確定為此時(shí)的循環(huán)周次 在每個(gè)應(yīng)變幅下使用兩個(gè)平行試樣

用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的低周疲勞斷口形貌 用TenuPol-5型雙噴減薄儀制備TEM樣品 雙噴減薄實(shí)驗(yàn)的電解液為30%的硝酸與70%的甲醇溶液，雙噴電壓為20.5 V，電解液溫度為-25℃ 并分別用Zeiss Gemini SEM 300場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、Nordlys Nano電子背散射衍射儀與JEM-2100型透射電子顯微鏡觀察和分析RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的顯微組織

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1 拉伸性能

圖2給出了RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 可以看出，RD方向合金的抗拉強(qiáng)度為508.71 MPa，屈服強(qiáng)度為453.68 MPa，TD方向合金的抗拉強(qiáng)度為538.74 MPa，屈服強(qiáng)度為471.58 MPa TD方向合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，均高于RD方向

圖2



圖2RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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

2.2 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為

圖3給出了在各個(gè)外加總應(yīng)變幅下RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比曲線 可以看出，在所有外加總應(yīng)變幅下整個(gè)循環(huán)變形過(guò)程中RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金均呈現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定 在相同外加總應(yīng)變幅下，TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力幅值均高于其RD方向 這些結(jié)果，與TD與RD方向合金拉伸強(qiáng)度的差異是一致的

圖3



圖3RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比曲線

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 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為

圖4給出了RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力與塑性應(yīng)變關(guān)系曲線 可以看出，該合金在RD與TD方向的循環(huán)應(yīng)力幅和塑性應(yīng)變幅之間呈單斜率線性關(guān)系 Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為遵從

Δσ/2=K'(Δεp/2)n'

(1)

其中，Δσ/2為最大應(yīng)力幅，K?為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n?為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù) 用線性回歸分析法定出的RD與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?值與RD方向的大致相當(dāng)，但是RD方向合金的n?值大于TD方向

圖4



圖4RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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

Table 1

表1

表1RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)變疲勞參數(shù)

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 疲勞壽命行為

圖5給出了RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲勞壽命曲線 圖5表明，在相同外加總應(yīng)變幅下該合金在RD方向的疲勞壽命明顯高于其在TD方向的疲勞壽命

圖5



圖5RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲勞壽命曲線

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

在合金發(fā)生低周疲勞變形時(shí)，塑性應(yīng)變幅(Δεp/2)、彈性應(yīng)變幅(Δεe/2)與載荷反向周次(2Nf)之間的關(guān)系為

Δεp/2=ε'f(2Nf)c

(2)

Δεe/2=σ'fE(2Nf)b

(3)

其中，εf?為疲勞延性系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，σf?為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，E為Young′s模量，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)

RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)變幅與載荷反向周次之間的關(guān)系曲線，如圖6所示 可以看出，盡管取樣方向不同，但是Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)變幅與載荷反向周次均呈線性關(guān)系 表1列出了用線性回歸分析法確定的RD與TD方向合金的應(yīng)變疲勞參數(shù) 從表1可見(jiàn)，RD方向合金的疲勞延性系數(shù)εf?與疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf?均大于TD方向，而TD方向合金的疲勞延性指數(shù)c大于RD方向，但是其疲勞強(qiáng)度指數(shù)b相差不大

圖6



圖6RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的應(yīng)變幅－載荷反向周次關(guān)系曲線

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 疲勞斷口的形貌

圖7給出了外加總應(yīng)變幅為0.4%時(shí)RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲勞斷口形貌 圖7a和7b分別給出了RD方向和TD方向合金的疲勞裂紋源區(qū)形貌 可以看出，裂紋源區(qū)較為平整且裂紋皆在試樣自由表面以穿晶方式萌生，呈現(xiàn)出向四周輻射的放射性紋理 圖7c和7d分別給出了RD方向和TD方向合金的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌 可見(jiàn)兩個(gè)方向合金的裂紋擴(kuò)展區(qū)中均存在疲勞輝紋，說(shuō)明疲勞裂紋擴(kuò)展皆以穿晶方式進(jìn)行 其中TD方向合金疲勞輝紋寬度明顯大于RD方向，說(shuō)明TD方向裂紋擴(kuò)展速率高于RD方向

圖7



圖7RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲勞裂紋源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)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 討論

在所有外加總應(yīng)變幅下TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力幅值均高于RD方向，對(duì)此可從位錯(cuò)與第二相的交互作用方面加以解釋 第二相對(duì)位錯(cuò)的釘扎與阻礙作用，使位錯(cuò)滑移的難度增大 圖8給出了外加總應(yīng)變幅為0.4%時(shí)RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的TEM照片與選區(qū)電子衍射花樣(SAED) 由圖8可見(jiàn)，合金中有大量呈短棒狀約為50~300 nm的第二相粒子，即MgZn2相 相較于RD方向合金，第二相粒子均勻分布，TD方向合金中的MgZn2相尺寸較為細(xì)小，但數(shù)量明顯增多 已有的研究表明，細(xì)小的第二相粒子對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用更加明顯[16] 因此，相較于RD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金，TD方向合金中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到MgZn2相粒子的阻礙作用更為顯著，其可動(dòng)性更低，使其循環(huán)應(yīng)力幅值提高 同時(shí)，由圖9a、9b可見(jiàn)，針對(duì)RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金進(jìn)行的EBSD分析發(fā)現(xiàn)，RD方向合金的顯微組織呈典型的軋制變形結(jié)構(gòu)，晶粒呈纖維狀并沿軋制方向明顯拉長(zhǎng)，其晶粒平均長(zhǎng)度約為300 μm TD方向合金的晶粒因垂直于板材方向的壓應(yīng)力作用而壓扁，其晶粒平均寬度約為150 μm 由圖9c、9d可見(jiàn)，Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的擇優(yōu)取向類(lèi)型主要為{001}<100>織構(gòu) 已有的研究表明[17~19]，晶粒尺寸和織構(gòu)對(duì)合金的變形抗力有顯著的影響，晶粒尺寸的差異和非等軸的形狀特點(diǎn)造成晶界對(duì)不同方向強(qiáng)化作用的差異 由圖9可見(jiàn)，TD方向合金的晶粒較小，在塑性變形過(guò)程中對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用較大，即晶界對(duì)TD方向合金的強(qiáng)化作用較大；而RD方向合金的{001}<100>織構(gòu)的形成造成該方向的塑形變形抗力低于TD方向 因此，TD方向合金的循環(huán)應(yīng)力幅值高于RD方向

圖8



圖8RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的疲勞變形區(qū)TEM分析結(jié)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

圖9



圖9RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的EBSD照片、極圖(PF)與反極圖(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合金在所有外加總應(yīng)幅下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為 在循環(huán)變形期間產(chǎn)生的新位錯(cuò)使合金中的位錯(cuò)密度提高，而在高密度位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中生位錯(cuò)間的交互作用使不動(dòng)位錯(cuò)等亞結(jié)構(gòu)形成，加之第二相粒子對(duì)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的阻礙使位錯(cuò)的可動(dòng)性降低，產(chǎn)生硬化效應(yīng) 另一方面，運(yùn)動(dòng)的異號(hào)位錯(cuò)相互捕捉而發(fā)生湮滅，從而引起軟化 當(dāng)硬化與軟化效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，合金便表現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定

外加總應(yīng)變幅為0.4%~0.8%，RD方向合金的低周疲勞壽命明顯高于TD方向 其原因是，由表2可知，在相同外加總應(yīng)變幅下TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)力幅值均高于RD方向 在所有外加總應(yīng)變幅下TD方向合金在循環(huán)變形過(guò)程中的疲勞損傷程度均高于RD方向；由圖8可知，TD方向合金疲勞斷口上的疲勞輝紋寬度明顯高于RD方向，即TD方向合金中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率高于RD方向合金，降低了TD方向合金的低周疲勞壽命[20]

Table 2

表2

表2RD與TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的循環(huán)應(yīng)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 結(jié)論

(1) 在所有外加總應(yīng)變幅下RD和TD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金均表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為，且TD方向合金的循環(huán)應(yīng)力幅值均高于RD方向 RD方向Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金的低周疲勞壽命均高于TD方向

(2) 對(duì)于RD與TD方向的Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金，在低周疲勞加載條件下裂紋均在疲勞試樣自由表面以穿晶方式萌生和擴(kuò)展

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