7075铝合金的单轴棘轮行为

， ， ， ，,2

(合肥工业大学1.材料科学与工程学院；2.安徽省有色金属材料与加工工程实验室，合肥 230009)

0 引 言

棘轮效应是指金属材料在非对称循环载荷作用下产生的一种非弹性变形循环累积现象[1-4]，此效应会不同程度地缩短工程结构件的疲劳寿命[1-2]，因此研究棘轮效应显得尤为重要。HASSAN等[5]对CS1020和CS1026钢开展了应力/载荷只在一个方向变化的单轴棘轮行为的研究，结果表明：在相同应力幅下，平均应力的增大会导致棘轮应变的增加；棘轮应变速率经过初始的衰减阶段后趋于稳定，当平均应力为负值时，其棘轮应变速率也为负值。PENG等[6]研究表明:在高应力区CP-Ti合金的棘轮效应很明显并且棘轮应变速率随加载的进行而逐渐增大，表现为循环软化，从而诱发合金失效；在低应力区则表现为循环硬化，从而抑制棘轮效应。DUTTA等[7]研究发现，在平均应力恒定时，未经热处理的6000系铝合金的棘轮应变积累随应力幅的增大而减小，而经退火处理后其棘轮应变积累随应力幅的增大而增加。彭金波[8]研究发现，当平均应力相同时，6005铝合金的棘轮应变速率随应力幅的增加而增大，而当应力幅不变时，棘轮应速变率随平均应力的增加而增大，并且峰值应力保持时间对棘轮应变的产生与积累有促进作用，而谷值应力的保持时间则起到抑制作用。KANG等[9-10]研究发现，具备循环硬化特征的AISI 316L不锈钢在非对称循环载荷下的棘轮变形会导致位错胞的形成。目前，研究结果大多通过单轴或多轴棘轮效应试验得到，研究内容主要为平均应力、应力幅、加载速率、加载路径等因素对材料棘轮行为演变规律的影响，并建立了不同材料棘轮行为的本构模型，研究材料多集中在钢、钛合金、6000系铝合金上，而缺乏对7000系高强铝合金的棘轮效应，尤其是循环加载过程中微观位错演化的研究。为此，作者对高强7075铝合金在室温单轴拉压循环过程中的棘轮行为进行了研究，并对循环加载前后合金的显微组织进行了观察与分析。

1 试样制备与试验方法

试验材料为T651热处理态的7075铝合金，其化学成分(质量分数/%)为 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试验机上进行静载拉伸试验，试样尺寸为φ6.5 mm×28 mm，拉伸速度为2 mm·min-1，试验测得屈服强度σy为450 MPa，抗拉强度σb为529 MPa，伸长率为10.2%。在MTS Landmark 250 kN试验机上对试样进行非零平均应力、非对称载荷下单轴拉压循环试验，试样尺寸为φ6.5 mm×28 mm，循环次数为500周次，采用三角波加载方式，应力加载速率为100 MPa·s-1，试验参数如表1所示，其中σmax为峰值应力，σmin为谷值应力，σa为应力幅，σm为平均应力。采用JEM-2100F型场发射透射电镜(TEM)观察循环加载前后试样的位错组态，试样先机械减薄至厚80 μm左右，然后在离子减薄仪上减薄至观察区域中心有微小缝隙且周围出现半透光区域，工作电压为5 kV，离子枪角度为4°～6°。

表1 单轴拉压循环试验的载荷参数Table 1 Load parameters of uniaxial tension and compressioncyclic test MPa

2 试验结果与讨论

2.1 单轴拉压循环加载下的棘轮应变累积

由图1可知：在不同循环载荷作用下，试样均表现出明显的棘轮应变累积特征；当σm不变时，试样的棘轮应变累积随σa的增加而增大，而当σa不变时，试样的棘轮应变累积也随σm的增加而增大。

由图2可看出：试样在载荷循环1周次时均有明显的塑性变形，并且这种塑性变形累积随着σa或σm的增加而增大，但随着循环次数的增加，塑性变形累积明显减小；当σa不变而σm增大或σm不变而σa增大时，棘轮应变的迁移量增加，即棘轮应变累积增加；σmax或σmin越大，正向拉伸和负向压缩的应变也越大。

2.2 恒定棘轮应力加载速率时的应变循环特征

由图3可知：当σm不变时，σa越大，试样的棘轮应变也越大，这与DUTTA等[7]的研究结果相同；当σa不变时，随着σm的增大，棘轮应变不断增加，且较高σa下产生的棘轮应变远远大于较低σa下的；不同加载条件下，试样的棘轮应变均在循环初期以较大的应变速率积累，之后棘轮应变速率呈近线性缓慢增加趋势，且σm或σa越大，棘轮应变积累的这种趋势越明显，说明σm，σa均对棘轮应变起着重要作用。

由图4可知，当σmin不变时，棘轮应变随σmax的增大而增大，当σmin和σmax均最大时，棘轮应变也最大。由图5可以看出，当σmax不变时，随σmin的增加，棘轮应变无明显的变化规律，在镁合金中也有类似的发现[11]。面心立方结构的7075铝合金经T651热处理后，表现出明显的织构特征；在进行非对称拉压加载时，由于循环拉伸和压缩载荷比不同，且织构存在择优取向，因此该铝合金的棘轮应变响应呈不规则特征。

2.3 显微组织的变化

由图6(a)可知，经过T651热处理后7075铝合金的显微组织中析出大量长约100 nm、宽约20 nm的椭球状η′强化相和板条状η相，即MgZn2相，同时还存在大量尺寸为3～10 nm的细小球状GP区。由图6(b)～(d)可以看出，经过单轴拉压循环加载后，铝合金中的位错密度明显增大，位错弹性应力场增强，出现了大量的位错缠结，部分位错被η′相或η相钉扎并产生明显的局部应力，还有一些位错于晶界处塞积，不但阻碍了位错移动，还增加了晶界处的应力集中，导致晶界处裂纹的产生。位错密度的增殖效应随着σm或σa的增大而更明显，从而导致在循环加载初期棘轮应变的快速累积；当铝合金中产生一定量的位错时，η′相或η相以及晶界对位错的钉扎作用增强，有效减小了位错的平均可动自由程，这在某种程度上降低了位错的进一步增殖[12]，导致在循环加载中后期棘轮应变速率的降低和平缓。

图1 不同循环载荷下试样的单轴循环滞回环Fig.1 Uniaxial cyclic hysteresis loops of samples under different cyclic loads

图2 不同循环载荷不同周次时试样的单轴循环滞回环Fig.2 Uniaxial cyclic hysteresis loops of samples under different loads for different number of cycles

图3 不同平均应力和应力幅下试样的单轴棘轮应变随循环次数的变化曲线Fig.3 Curves of uniaxial ratcheting strain vs number of cycles of samples with different stress amplitudes and mean stresses

图4 不同谷值应力下试样在不同峰值应力时的单轴棘轮应变随循环次数的变化曲线Fig.4 Curves of uniaxial ratcheting strain of samples with different peak stresses vs number of cycles under different valley stresses

图5 不同峰值应力下试样在不同谷值应力时的单轴棘轮应变随循环次数的变化曲线Fig.5 Curves of uniaxial ratcheting strain of samples with different valley stresses vs number of cycles under different peak stresses

3 结 论

(1) 7075铝合金在不同循环载荷作用下均表现出明显的棘轮应变累积特征，在循环初期铝合金的塑性变形很明显，但随着循环次数的增加，塑性变形累积明显减小；棘轮应变累积随应力幅或平均应力的增大而增加。

(2) 铝合金的棘轮应变均在循环初期以较大的应变速率积累，之后棘轮应变速率迅速减小，并呈近线性缓慢增加趋势，且平均应力和应力幅越大，棘轮应变积累的这种趋势越明显；当谷值应力不变时，棘轮应变随峰值应力的增大而增大，而当峰值应力不变时，棘轮应变随谷值应力的增加而无明显的变化规律。

图6 在应力幅60 MPa, 平均应力435 MPa下拉压循环试验前后试样的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) 单轴拉压循环加载后，铝合金中的位错密度增大，位错弹性应力场增强，出现大量位错缠结，导致循环加载初期棘轮应变迅速增加；MgZn2粒子及晶界对位错的钉扎作用有效减小了位错平均可动自由程，抑制了位错的进一步增殖，导致棘轮循环加载中后期棘轮应变速率的降低并平缓。