Al-Mg-Si-Cu合金时效状态对疲劳过程及断裂特征的影响

　　可热处理强化的Al-Mg-Si(Cu)合金的比强度高，并具有良好的成型、焊接和抗腐蚀性能以及可循环利用等优点，目前已经成为高速列车和轻量化铝制汽车车辆的首选车体材料[1−4]。通常，这些构件在服役过程中的失效方式主要是疲劳破坏。有研究表明，铝合金在疲劳过程中会形成位错环、滑移带及位错胞，这些微结构特征与应变幅值和循环次数相关[5−7]，并且位错在滑移带内随交变载荷反复切过析出相而使其溶解[8]。这种由外部输入的机械能强化颗粒中的溶质原子驱入固溶体中溶解，从而使溶质原子重新分配，在疲劳过程中可能动态改变析出强化合金的微结构[9]。因此，研究不同析出状态的Al-Mg-Si-Cu合金在疲劳过程中力学性能的演变规律及其微观机制有助于加深人们对显微结构与疲劳特性的理解，从而在此基础上优化热加工工艺，制备疲劳性能优良的合金。

　　JUIJERM等[10]开展了室温条件下应力控制的疲劳实验，发现欠时效态6110合金(Al-Mg-Si-Cu合金)样品表现出循环硬化，而峰值时效和过时效样品则表现出循环软化。他们认为这种差异是合金中的析出状态不同造成的，并与位错−析出相及位错−位错之间的反应相关。不同时效处理状态的Al-Mg-Si-Cu合金的析出状态不同，使得车体或零部件在服役过程中微结构的演变情况可能不同，从而使合金力学性能的演变规律不同，但是关于这方面的研究并不充分。因此，本文作者研究欠时效、峰值时效和过时效状态的Al-Mg-Si-Cu合金在疲劳过程中力学性能的演变规律及疲劳断裂特征，为深入了解该类合金的析出相对疲劳行为的影响及位错−位错和位错−析出相之间的反应对裂纹形核与扩展的影响提供基础。

　　1 实验

　　实验合金的名义化学成分列于表1。采用半连续方法铸造，铸锭在550℃均匀化15h后热轧至10mm，退火后经多道冷轧最终至3mm厚的板材。合金在560℃固溶0.5h后用水淬火至室温，然后立即在180℃油浴炉中进行人工时效，选取经时效0.5、8及72h后的样品分别作为合金的欠时效态、峰值时效态和过时效态。合金板材的晶粒结果采用光学显微镜观察，合金欠时效、峰值时效和过时效态的微观结构则用JEOL JEM 3010透射电镜来表征。透射电镜试样在双喷电解减薄仪上制备，电解液为硝酸与甲醇的混合液，其体积比为1:3。疲劳样品的长度方向为薄板的轧制方向，尺寸见图1实线所示;拉伸试样(见图1虚线所示)从经过一定循环次数的疲劳样品中心截取，这样可以检测不同循环次数样品的拉伸性能。疲劳样品和拉伸样品分别根据ASTM E466−07和ASTME8M−04而设计。疲劳实验在MTS810型液压伺服材料试验机上进行应力比为0.1的拉−拉疲劳试验，频率为30Hz，正弦波。达到疲劳寿命而断裂的样品用FEIQuanta200环境扫描电镜进行断口观察。