7075鋁合金的單軸棘輪行為

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(合肥工業(yè)大學1.材料科學與工程學院；2.安徽省有色金屬材料與加工工程實驗室，合肥 230009)

0 引 言

棘輪效應是指金屬材料在非對稱循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的一種非彈性變形循環(huán)累積現(xiàn)象[1-4]，此效應會不同程度地縮短工程結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命[1-2]，因此研究棘輪效應顯得尤為重要。HASSAN等[5]對CS1020和CS1026鋼開展了應力/載荷只在一個方向變化的單軸棘輪行為的研究，結(jié)果表明：在相同應力幅下，平均應力的增大會導致棘輪應變的增加；棘輪應變速率經(jīng)過初始的衰減階段后趨于穩(wěn)定，當平均應力為負值時，其棘輪應變速率也為負值。PENG等[6]研究表明:在高應力區(qū)CP-Ti合金的棘輪效應很明顯并且棘輪應變速率隨加載的進行而逐漸增大，表現(xiàn)為循環(huán)軟化，從而誘發(fā)合金失效；在低應力區(qū)則表現(xiàn)為循環(huán)硬化，從而抑制棘輪效應。DUTTA等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在平均應力恒定時，未經(jīng)熱處理的6000系鋁合金的棘輪應變積累隨應力幅的增大而減小，而經(jīng)退火處理后其棘輪應變積累隨應力幅的增大而增加。彭金波[8]研究發(fā)現(xiàn)，當平均應力相同時，6005鋁合金的棘輪應變速率隨應力幅的增加而增大，而當應力幅不變時，棘輪應速變率隨平均應力的增加而增大，并且峰值應力保持時間對棘輪應變的產(chǎn)生與積累有促進作用，而谷值應力的保持時間則起到抑制作用。KANG等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，具備循環(huán)硬化特征的AISI 316L不銹鋼在非對稱循環(huán)載荷下的棘輪變形會導致位錯胞的形成。目前，研究結(jié)果大多通過單軸或多軸棘輪效應試驗得到，研究內(nèi)容主要為平均應力、應力幅、加載速率、加載路徑等因素對材料棘輪行為演變規(guī)律的影響，并建立了不同材料棘輪行為的本構(gòu)模型，研究材料多集中在鋼、鈦合金、6000系鋁合金上，而缺乏對7000系高強鋁合金的棘輪效應，尤其是循環(huán)加載過程中微觀位錯演化的研究。為此，作者對高強7075鋁合金在室溫單軸拉壓循環(huán)過程中的棘輪行為進行了研究，并對循環(huán)加載前后合金的顯微組織進行了觀察與分析。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為T651熱處理態(tài)的7075鋁合金，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為 5.72Zn，2.80Mg， 1.56Cu，0.38Fe，0.22Cr，0.10Mn，0.08Si，0.03Ti，0.01Ni。

按照GB/T 4337-2008，在MTS Landmark 250 kN試驗機上進行靜載拉伸試驗，試樣尺寸為φ6.5 mm×28 mm，拉伸速度為2 mm·min-1，試驗測得屈服強度σy為450 MPa，抗拉強度σb為529 MPa，伸長率為10.2%。在MTS Landmark 250 kN試驗機上對試樣進行非零平均應力、非對稱載荷下單軸拉壓循環(huán)試驗，試樣尺寸為φ6.5 mm×28 mm，循環(huán)次數(shù)為500周次，采用三角波加載方式，應力加載速率為100 MPa·s-1，試驗參數(shù)如表1所示，其中σmax為峰值應力，σmin為谷值應力，σa為應力幅，σm為平均應力。采用JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡(TEM)觀察循環(huán)加載前后試樣的位錯組態(tài)，試樣先機械減薄至厚80 μm左右，然后在離子減薄儀上減薄至觀察區(qū)域中心有微小縫隙且周圍出現(xiàn)半透光區(qū)域，工作電壓為5 kV，離子槍角度為4°～6°。

表1 單軸拉壓循環(huán)試驗的載荷參數(shù)Table 1 Load parameters of uniaxial tension and compressioncyclic test MPa

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單軸拉壓循環(huán)加載下的棘輪應變累積

由圖1可知：在不同循環(huán)載荷作用下，試樣均表現(xiàn)出明顯的棘輪應變累積特征；當σm不變時，試樣的棘輪應變累積隨σa的增加而增大，而當σa不變時，試樣的棘輪應變累積也隨σm的增加而增大。

由圖2可看出：試樣在載荷循環(huán)1周次時均有明顯的塑性變形，并且這種塑性變形累積隨著σa或σm的增加而增大，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形累積明顯減小；當σa不變而σm增大或σm不變而σa增大時，棘輪應變的遷移量增加，即棘輪應變累積增加；σmax或σmin越大，正向拉伸和負向壓縮的應變也越大。

2.2 恒定棘輪應力加載速率時的應變循環(huán)特征

由圖3可知：當σm不變時，σa越大，試樣的棘輪應變也越大，這與DUTTA等[7]的研究結(jié)果相同；當σa不變時，隨著σm的增大，棘輪應變不斷增加，且較高σa下產(chǎn)生的棘輪應變遠遠大于較低σa下的；不同加載條件下，試樣的棘輪應變均在循環(huán)初期以較大的應變速率積累，之后棘輪應變速率呈近線性緩慢增加趨勢，且σm或σa越大，棘輪應變積累的這種趨勢越明顯，說明σm，σa均對棘輪應變起著重要作用。

由圖4可知，當σmin不變時，棘輪應變隨σmax的增大而增大，當σmin和σmax均最大時，棘輪應變也最大。由圖5可以看出，當σmax不變時，隨σmin的增加，棘輪應變無明顯的變化規(guī)律，在鎂合金中也有類似的發(fā)現(xiàn)[11]。面心立方結(jié)構(gòu)的7075鋁合金經(jīng)T651熱處理后，表現(xiàn)出明顯的織構(gòu)特征；在進行非對稱拉壓加載時，由于循環(huán)拉伸和壓縮載荷比不同，且織構(gòu)存在擇優(yōu)取向，因此該鋁合金的棘輪應變響應呈不規(guī)則特征。

2.3 顯微組織的變化

由圖6(a)可知，經(jīng)過T651熱處理后7075鋁合金的顯微組織中析出大量長約100 nm、寬約20 nm的橢球狀η′強化相和板條狀η相，即MgZn2相，同時還存在大量尺寸為3～10 nm的細小球狀GP區(qū)。由圖6(b)～(d)可以看出，經(jīng)過單軸拉壓循環(huán)加載后，鋁合金中的位錯密度明顯增大，位錯彈性應力場增強，出現(xiàn)了大量的位錯纏結(jié)，部分位錯被η′相或η相釘扎并產(chǎn)生明顯的局部應力，還有一些位錯于晶界處塞積，不但阻礙了位錯移動，還增加了晶界處的應力集中，導致晶界處裂紋的產(chǎn)生。位錯密度的增殖效應隨著σm或σa的增大而更明顯，從而導致在循環(huán)加載初期棘輪應變的快速累積；當鋁合金中產(chǎn)生一定量的位錯時，η′相或η相以及晶界對位錯的釘扎作用增強，有效減小了位錯的平均可動自由程，這在某種程度上降低了位錯的進一步增殖[12]，導致在循環(huán)加載中后期棘輪應變速率的降低和平緩。

圖1 不同循環(huán)載荷下試樣的單軸循環(huán)滯回環(huán)Fig.1 Uniaxial cyclic hysteresis loops of samples under different cyclic loads

圖2 不同循環(huán)載荷不同周次時試樣的單軸循環(huán)滯回環(huán)Fig.2 Uniaxial cyclic hysteresis loops of samples under different loads for different number of cycles

圖3 不同平均應力和應力幅下試樣的單軸棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.3 Curves of uniaxial ratcheting strain vs number of cycles of samples with different stress amplitudes and mean stresses

圖4 不同谷值應力下試樣在不同峰值應力時的單軸棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.4 Curves of uniaxial ratcheting strain of samples with different peak stresses vs number of cycles under different valley stresses

圖5 不同峰值應力下試樣在不同谷值應力時的單軸棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.5 Curves of uniaxial ratcheting strain of samples with different valley stresses vs number of cycles under different peak stresses

3 結(jié) 論

(1) 7075鋁合金在不同循環(huán)載荷作用下均表現(xiàn)出明顯的棘輪應變累積特征，在循環(huán)初期鋁合金的塑性變形很明顯，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形累積明顯減??；棘輪應變累積隨應力幅或平均應力的增大而增加。

(2) 鋁合金的棘輪應變均在循環(huán)初期以較大的應變速率積累，之后棘輪應變速率迅速減小，并呈近線性緩慢增加趨勢，且平均應力和應力幅越大，棘輪應變積累的這種趨勢越明顯；當谷值應力不變時，棘輪應變隨峰值應力的增大而增大，而當峰值應力不變時，棘輪應變隨谷值應力的增加而無明顯的變化規(guī)律。

圖6 在應力幅60 MPa, 平均應力435 MPa下拉壓循環(huán)試驗前后試樣的TEM形貌Fig.6 TEM morphology of samples before (a) and after (b-d) uniaxial tension and compression cyclic test with stress amplitude of 60 MPa and average stress of 435 MPa: (b) dislocation entanglement; (c) dislocation pinning and (d) piling up of dislocations at grain boundary

(3) 單軸拉壓循環(huán)加載后，鋁合金中的位錯密度增大，位錯彈性應力場增強，出現(xiàn)大量位錯纏結(jié)，導致循環(huán)加載初期棘輪應變迅速增加；MgZn2粒子及晶界對位錯的釘扎作用有效減小了位錯平均可動自由程，抑制了位錯的進一步增殖，導致棘輪循環(huán)加載中后期棘輪應變速率的降低并平緩。