不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr– 0.2Sc合金的力学行为研究

李佳航，车欣，蒋学禹，尹淑英

不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr– 0.2Sc合金的力学行为研究

李佳航，车欣，蒋学禹，尹淑英

（沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870）

研究不同时效时间对Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金强度的影响，以及室温和−40 ℃这2种温度环境对该合金疲劳行为的影响。在不同时效时间下对Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金进行热处理，并采用透射电镜观察其显微结构以解释不同时效时间下强度变化的原因。在不同外加总应变幅的条件下，对T6态该合金进行低周疲劳实验，对比研究Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同温度环境下的低周疲劳行为。随着时效时间的延长，不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的屈服强度和抗拉强度都先升高后降低，−40 ℃环境下的屈服强度和抗拉强度均高于室温环境下的。在低应变幅时，合金的循环应力响应行为特征总体呈稳定趋势，在高应变幅时，合金的循环应力响应行为先表现为循环稳定特征，后表现为循环硬化特征。同一应变幅下，−40 ℃环境下合金的循环应力幅值高于室温环境下的，而合金的低周疲劳寿命则随着温度的降低而下降。此外，在室温和−40 ℃低周疲劳加载条件下，疲劳变形机制为平面滑移机制。当应变幅为0.4%和0.6%时，合金疲劳变形区位错组态为位错阵列，当应变幅为1.0%时，合金位错组态为位错网格。

铝合金；温度；强度；低周疲劳；微观结构

Al–Zn–Mg–Cu合金由于具有高强度、轻质量、高硬度等十分优良的综合性能，被广泛应用于飞机、船舶的主要结构件中[1-3]。在实际工作过程中，铝合金构件会受到交变载荷的作用产生疲劳损伤，这会大大缩短构件的使用寿命，易发生疲劳断裂事故，因此关于铝合金疲劳行为的研究一直深受重视[4-6]。

研究学者对铝合金的疲劳行为进行了大量研究[7-9]。许罗鹏等[10]研究了2198–T8铝合金在室温下的高周疲劳性能，发现当载荷应力降低时，合金的疲劳寿命延长，合金具有更好的疲劳性能，这与疲劳裂纹微观结构有着密切关系，位错的增殖、运动和塞积会促使裂纹的萌生，缩短疲劳寿命，反之会延长疲劳寿命。王冠一等[11]对比研究了不同轧制方向的Al–5.4Zn–2.6Mg–1.4Cu合金在室温下的低周疲劳性能，结果表明，当外加总应变幅为0.4%～0.8%时，轴向平行轧制方向合金和轴向垂直轧制方向合金的循环应力响应行为均表现为循环稳定的特征，且轴向平行轧制方向合金的循环应力幅值均低于轴向垂直轧制方向合金的，不同轧制方向合金的疲劳断裂方式均为穿晶断裂。Liu等[12]研究了Al–12Si–Cu–Ni–Mg合金在高温下的低周疲劳行为以及合金的循环软化响应行为，发现在同一温度下，随着应变幅的增大，合金的疲劳寿命会缩短，在加载同一应变幅的条件下，疲劳寿命随着温度的升高而延长，显微组织也得到改善。Guo等[13]在高温环境下进行了Al–9Si–Cu–Mg合金低周疲劳实验研究，发现合金在200 ℃下的循环应力响应行为表现稳定，疲劳裂纹发生在孔洞和缺陷处，但随着温度的升高，在350 ℃下，合金的循环应力响应行为表现为软化特征，合金中的孔洞和缺陷不再是裂纹源，而材料中硅颗粒破裂形成的空腔成为了裂纹起始位置。

服役环境是影响疲劳行为的重要因素之一[14]，目前针对铝合金低周疲劳行为的相关研究多在室温及高温环境下进行，对铝合金低温环境下低周疲劳性能的研究较少。但铝合金构件的工作环境也包含高空、极北地区以及寒冬季节等低温环境[15-18]，说明了解铝合金低温低周疲劳行为也是非常重要的。文中对T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金进行应变控制的低周疲劳实验，对比分析室温环境与−40 ℃环境下铝合金疲劳变形区微观结构的变化规律，以期对在低温环境下此类合金的实际工程应用提供更多可靠的数据参考。

1 实验

实验材料为热挤压变形的Al–7Zn–2.5Mg– 2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金，借助JHF–27端淬实验专用加热炉对合金进行固溶+时效处理，固溶处理工艺选择470 ℃×2 h，水淬；时效处理温度为120 ℃，时长为10～34 h，空冷。

图1为Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金拉伸试样的形状与尺寸，拉伸实验借助WDW–200E型微机控制电子万能实验机在不同温度环境（室温、−40 ℃）下进行，应变速率为1.67×10−3s−1，标距为20 mm，在每个温度环境下都准备3个平行试样。

图1 拉伸试样形状与尺寸（mm）

图2为Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金疲劳试样的形状与尺寸。利用MTSLandmark 370.10疲劳实验机对Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金进行不同温度环境（室温、−40 ℃）的低周疲劳实验。名义总应变幅为0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%，采用正弦波加载，应变比值为−1，循环频率为1.0 Hz，−40 ℃环境借助651.06E–03环境箱和YDZ–50液氮罐实现，疲劳实验在循环应力幅值降为峰值的80%时停止，将此时的循环周次定义为疲劳寿命。在每个应变幅下准备2个平行试样。

图2 疲劳试样形状与尺寸（mm）

2 结果与分析

2.1 拉伸性能

表1为不同时效时间下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu– 0.1Zr–0.2Sc合金通过轴向拉伸实验得到的数据，图3为其力学性能对比曲线。结果表明，随着时效时间的增加，不同温度环境下合金的强度曲线都表现为先上升后下降的趋势。当时效时间相同时，−40 ℃环境下合金的屈服强度和抗拉强度更大。同时，从图3可以明显看出，在时效时间为22 h时，不同温度环境下合金的屈服强度和抗拉强度均达到最高点，合金的断裂伸长率及断面收缩率整体呈下降趋势。

表1 不同时效时间下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的拉伸数据

Tab.1 Tensile data of Al-7Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc alloy with different aging time

图3 不同时效时间Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的力学性能曲线

2.2 显微组织观察

图4为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同时效时间下的透射图片和相应的电子衍射花样（借助JEM–2100型透射电子显微镜完成）。电子衍射花样标定方法借鉴Hou等[19]的相关研究。从透射图片中可以看出，不同时效时间处理的合金晶内都弥散分布着大量析出相，时效早期主要有2种析出相：纳米级圆形的析出相和纳米级杆状的析出相。随着时效时间的增加，2种析出相的尺寸逐渐粗大，而析出物的密度逐渐降低。从对应的衍射花样可以看出，当时效时间为10 h时，<100>Al取向的电子衍射花样除基体Al的衍射斑点外，只在1/4{430}Al处存在GP区衍射斑点，说明此时晶内析出相只有GP区，随着时效时间的延长，在2/3{220}Al位置处可以观察到微弱的η'相衍射斑点，说明合金内GP区已经部分转化为η'相，GP区衍射斑点逐渐消失，η'相衍射斑点开始显现。直到34 h时，可以在1/3{220}Al和2/3{220}Al位置清楚地观察到衍射斑点，说明此时晶内析出相主要是η'相。

Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的抗拉强度随时效时间的变化而发生变化，这可以从时效处理后晶内析出相类型、尺寸及密度等方面来解释。研究学者普遍认为Al–Zn–Mg–Cu系合金的时效析出序列为：过饱和固溶体→GP区→亚稳相η'→平衡相η，不同时效时间的沉淀析出相不同，析出相的密度、尺寸等也不同，这些都会影响合金的力学性能[20-21]。当时效时间为10 h时，如图4a所示，合金的晶内析出相细小弥散，其析出相尺寸约为2 nm，此时Mg、Cu原子比例相似，构成了铝基体中的早期析出相GP区，GP区在<110>Al取向呈近圆形，其晶体结构为面心立方晶体结构，与铝基体共格，在拉伸实验过程中，不会对位错的运动造成阻碍，可以很容易地被位错切割，所以时效10 h时，Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu– 0.1Zr–0.2Sc合金的强度较低。当时效时间为22 h时，析出相尺寸逐渐增大，约为3 nm，此时晶内析出相主要由可变形粒子GP区和η'相组成，相较于早期时效，析出相密度有所降低，但尺寸明显增大，由于强度与析出相的体积分数和半径尺寸成正比[22]，可知此时Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的强度也有所提高，同时由于部分GP区长大转变形成了亚稳相η'相，晶体结构也发生了变化，由原与基体共格的面心立方晶体结构转变为六方结构，与基体形成半共格结构，对位错运动有一定的阻碍作用，所以时效22 h的合金强度升高。当时效时间为34 h时，析出相η'沿着直径与厚度方向交替生长，如图4e所示，析出相尺寸明显增大，尺寸可达10 nm，当粗大的η'相最终长成稳定的η相后，由于η相不利于铝合金性能，此时会导致Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu– 0.1Zr–0.2Sc合金的强度明显下降。此外，在不同的时效时间下都可以清晰地观察到另一种第二相粒子Al3(Zr, Sc)，但不同的时效时间对它的影响较小。

图4 Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同时效时间晶内析出相的TEM图像及其电子衍射花样

2.3 循环应力响应行为

图5为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同温度环境（室温、−40 ℃）下的循环应力响应图。可以看出，在相同应变幅时，合金在−40 ℃下的循环应力幅值高于室温下的，说明低温会提高合金的循环变形抗力，与上文低温会提高合金强度的结论相一致。在较低应变幅下，合金的循环应力响应行为总体呈稳定趋势，在较高应变幅时，合金的循环应力响应曲线先表现为循环稳定特征，后表现为循环硬化特征。为进一步研究合金在不同温度下的循环硬化能力，计算了合金的循环硬化率，如式（1）所示。

式中：max为最大循环应力幅值；first是第1周的循环应力幅值。

图6为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在2种温度环境下的循环硬化率。可见，不同温度环境下的循环硬化率都随着应变幅的增加而增加。

2.4 低周疲劳寿命行为

图7为不同温度环境（室温、−40 ℃）下T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的低周疲劳寿命曲线。可以看出，即使在应变幅为0.4%时，室温环境下合金疲劳寿命也高于−40 ℃环境下合金的约20%，说明室温环境下合金的疲劳寿命明显高于−40 ℃环境下合金的疲劳寿命，低温环境会缩短合金的疲劳寿命，使合金抵抗疲劳失效的能力变差，对疲劳性能易产生损伤。

图8为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同温度环境（室温、−40 ℃）下的应变幅–载荷反向周次（2f）曲线。可以看出，不同温度环境下，合金的弹性与塑性应变幅均与载荷反向周次呈线性相关。在低周疲劳变形过程中，合金的弹性应变幅（e/2）与疲劳寿命符合Coffin–Manson公式，塑性应变幅（p/2）与疲劳寿命符合Basquin公式，具体关系如式（2）—（3）所示。

图5 不同温度环境Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的循环应力响应对比曲线

图7 不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的低周疲劳寿命曲线

式中：f为疲劳延性系数；为疲劳延性指数；f为疲劳强度系数；为弹性模量；为疲劳强度指数。

2.5 循环应力‒应变行为

图9为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同温度环境下的循环应力–应变曲线。

循环应力–应变行为反映的是材料在循环变形过程中塑性应变与循环应力的关系，而塑性应变与循环应力的关系通常用式（4）来表示。

式中：∆σ/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。

图9 不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金循环应力–应变曲线

不同温度环境（室温、−40 ℃）下相关的应变疲劳参数可以利用线性回归方法计算，如表2所示。可以看出，室温环境下合金的疲劳延性系数f与疲劳强度系数f均大于−40 ℃环境下合金的，而室温环境下合金的疲劳延性指数和疲劳强度指数小于−40 ℃环境下合金的，但差异较小。−40 ℃环境下合金的循环强度系数小于室温环境下的，这与上文低温会提高合金的循环变形抗力、提高合金强度的结论相符，而−40 ℃环境下合金的循环应变硬化指数也小于室温环境下合金的。

2.6 疲劳变形区的微观结构

图10为T6态Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金在不同温度环境以及不同应变幅下疲劳断口变形区的位错组态。

图10 不同温度环境Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的位错组态

表2 不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的疲劳参数

Tab.2 Fatigue parameters of Al-7Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc alloy at different temperature

由图10a和10b可以看出，不同温度环境下疲劳断口变形区的位错组态均为位错阵列，说明在疲劳变形过程中位错具有更大的滑移空间，更易发生滑移，合金低周疲劳变形机制为平面滑移机制，在室温环境下，在晶界附近分布着许多短而小的位错，随着温度的降低，位错数量明显增加，位错阵列宽度相对增大，这导致位错运动会遇到更大的阻碍。由图10c和10d可以看出，相较于低应变幅（0.4%），应变幅为0.6%时的位错尺寸和数量都有所增加，且室温环境和−40 ℃环境下合金的位错组态有所不同，在室温下位错阵列形成了较长的位错墙，同时少量位错发生了位错缠结，在−40 ℃温度条件下，位错阵列的宽度有所增加，在不同位置增殖产生了新的位错，且不同方向的位错阵列在运动中相遇，有少部区域形成位错网格，但相较于位错阵列，位错网格只占了极少的一部分，在合金的疲劳变形过程中不起决定性作用，所以在0.6%应变幅的加载条件下，合金仍表现为循环稳定特征，该合金的疲劳变形机制还是平面滑移机制。由图10e和10f可以明显看出，位错组态发生了显著变化，在疲劳变形过程中，不同方向的位错阵列通过平面滑移机制运动，相遇后形成了位错网格，位错网格对位错运动产生了极大的阻碍作用，从而使合金的变形抗力增加，即硬度增加，这就是合金在循环后期表现出硬化特征这一现象的原因。在室温条件下，位错网格密度较低，是一片尺寸较小的不规则网格，随着温度降低到−40 ℃，可以观察到位错只存在于晶界一侧，说明位错难以越过晶界，这会使合金疲劳变形抗力增加，且晶界处位错网格的数量密度明显增加，形成了大面积牢固的网格，严重阻碍了位错运动，导致合金表现出循环硬化特征。

3 结论

1）随着时效时间的增加，不同温度环境下Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的屈服强度和抗拉强度都呈现出先上升后下降的趋势，当时效时间为22 h时，两者达到最高点。在−40 ℃环境下，该合金的屈服强度和抗拉强度高于室温环境下的。

2）在2种温度环境下，当应变幅为0.4%～0.6%时，Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的循环应力响应曲线均表现为循环稳定特征，当应变幅为0.8%和1.0%时，合金的循环应力响应曲线先表现循环稳定特征，后表现为循环硬化特征。−40 ℃环境下合金的循环应力幅值高于室温环境下的，但−40 ℃环境下合金的疲劳寿命低于室温环境下的。

3）在室温和−40 ℃的低周疲劳加载条件下，Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金低周疲劳变形机制为平面滑移机制。当应变幅为0.4%和0.6%时，合金疲劳变形区的位错组态为位错阵列，当应变幅为1.0%时，合金疲劳变形区的位错组态为位错网格。

[1] 邓运来, 张新明. 铝及铝合金材料进展[J]. 中国有色金属学报, 2019, 29(9): 2115-2141.

DENG Yun-lai, ZHANG Xin-ming. Development of Aluminium and Aluminium Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019, 29(9): 2115-2141.

[2] ZHANG Jin-liang, SONG Bo, WEI Qing-song, et al. A Review of Selective Laser Melting of Aluminum Alloys: Processing, Microstructure, Property and Developing Trends[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35(2): 270-284.

[3] LI Cheng, WU Shu-sen, SHULIN L, et al. Effects of Excessive Zr Content and Ultrasonic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Al-Zn-Mg-Cu Alloy[J]. Metals, 2021, 11(4): 632.

[4] ZHAO X, LI H, CHEN T, et al. Mechanical Properties of Aluminum Alloys under Low-Cycle Fatigue Loading[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2019, 12(13): E2064.

[5] 张志鹏, 刘振民, 李锋, 等. Sc对固溶时效态Al-4Cu-1Nd合金低周疲劳性能的影响[J]. 金属热处理, 2018, 43(1): 53-56.

ZHANG Zhi-peng, LIU Zhen-min, LI Feng, et al. Effect of Sc on Low Cycle Fatigue Property of Al-4Cu-1Nd Alloy after Solution and Aging Treatment[J]. Heat Treatment of Metals, 2018, 43(1): 53-56.

[6] 单朝军, 刘胜胆, 张新明, 等. 7020铝合金型材的疲劳行为及微观机制[J]. 稀有金属材料与工程, 2021, 50(5): 1803-1811.

SHAN Zhao-jun, LIU Sheng-dan, ZHANG Xin-ming, et al. Fatigue Behavior and Microscopic Mechanism of 7020 Aluminum Alloy Profile[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2021, 50(5): 1803-1811.

[7] LIU R, ZHANG Z, ZHANG P, et al. Extremely-Low-Cycle Fatigue Behaviors of Cu and Cu-Al Alloys: Damage Mechanisms and Life Prediction[J]. Acta Materialia, 2015, 83: 341-356.

[8] 范雪松, 郑子樵, 张龙, 等. 2397合金高周疲劳性能及裂纹萌生扩展行为[J]. 稀有金属材料与工程, 2017, 46(5): 1327-1333.

FAN Xue-song, ZHENG Zi-qiao, ZHANG Long, et al. High-Cycle Fatigue Properties and Crack Initiation and Propagation Behavior of 2397 Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(5): 1327-1333.

[9] ZHANG Q, ZHU Y, GAO X, et al. Training High-Strength Aluminum Alloys to Withstand Fatigue[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 5198.

[10] 许罗鹏, 曹小建, 李久楷, 等. 铝锂合金2198-T8高周疲劳性能及其裂纹萌生机理[J]. 稀有金属材料与工程, 2017, 46(1): 83-89.

XU Luo-peng, CAO Xiao-jian, LI Jiu-kai, et al. High Cycle Fatigue Properties and Crack Initiation Mechanisms of Al-Li 2198-T8 Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(1): 83-89.

[11] 王冠一, 车欣, 张浩宇, 等. Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu合金板材的低周疲劳行为[J]. 材料研究学报, 2020, 34(9): 697-704.

WANG Guan-yi, CHE Xin, ZHANG Hao-yu, et al. Low-Cycle Fatigue Behavior of Al-5.4Zn-2.6Mg-1.4Cu Alloy Sheet[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2020, 34(9): 697-704.

[12] LIU Jin-xiang, ZHANG Qing, ZUO Zheng-xing, et al. Microstructure Evolution of Al-12Si-CuNiMg Alloy under High Temperature Low Cycle Fatigue[J]. Materials Science & Engineering A, 2013, 574: 186-190.

[13] GUO Bing-bin, ZHANG Wei-zheng, LI Shao-guang, et al. High Temperature Low Cycle Fatigue and Creep-Fatigue Behavior of a Casting Al-9Si-CuMg Alloy Used for Cylinder Heads[J]. Materials Science & Engineering, A Structural Materials (Properties, Misrostructure and Processing), 2017(700): 397-405.

[14] 何维维, 陈军洲, 戴圣龙, 等. 过时效对7050铝合金不同温度力学性能及断裂行为的影响[J]. 航空材料学报, 2021, 41(3): 111-119.

HE Wei-wei, CHEN Jun-zhou, DAI Sheng-long, et al. Effect of Over-Aging on Mechanical Property and Fracture Behavior of 7050 Aluminum Alloy at Different Temperatures[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2021, 41(3): 111-119.

[15] MA L, GUO J, LIU Q, et al. Fatigue Crack Growth and Damage Characteristics of High-Speed Rail at Low Ambient Temperature[J]. Engineering Failure Analysis, 2017, 82: 802-815.

[16] 刘牧东. 低温对航空铝合金疲劳与裂纹扩展行为的影响[J]. 航空材料学报, 2021, 41(1): 91-100.

LIU Mu-dong. Effect of Low Temperature on Fatigue and Crack Propagation Behavior of Aeronautic Aluminium Alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2021, 41(1): 91-100.

[17] MALIKOV A, KARPOV E. Effect of Temperature on the Fracture Behaviour of Heat-Treated Al-Cu-Li Alloy Laser Welds under Low-Cycle Fatigue Loading[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2020, 43(6): 1250-1261

[18] ZHOU Bo, LIU Bo, ZHANG Shen-gen. The Advancement of 7XXX Series Aluminum Alloys for Aircraft Structures: A Review[J]. Metals, 2021, 11(5): 718.

[19] HOU Yu-zhu, CHEN Liang, LI Zhi-gang, et al. Effects of Artificial Aging on Microstructure, Mechanical Properties and Stress Corrosion Cracking of a Novel High Strength 7A99 Al Alloy[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 780: 139217.

[20] 张勇, 李红萍, 康唯, 等. 高强铝合金时效微结构演变与性能调控[J]. 中国有色金属学报, 2017, 27(7): 1323-1336.

ZHANG Yong, LI Hong-ping, KANG Wei, et al. Aging Microstructure Evolution in High Strength Aluminum Alloys and Performance Controlling[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(7): 1323-1336.

[21] KANG Lei, ZHAO Gang, WANG Guang-dong, et al. Effect of Different Quenching Processes Following Solid-Solution Treatment on Properties and Precipitation Behaviors of 7050 Alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2018, 28(11): 2162-2172.

[22] 梁孟超, 陈良, 赵国群. 人工时效对2A12铝板力学性能和强化相的影响[J]. 金属学报, 2020, 56(5): 736- 744.

LIANG Meng-chao, CHEN Liang, ZHAO Guo-qun. Effects of Artificial Ageing on Mechanical Properties and Precipitation of 2A12 Al Sheet[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2020, 56(5): 736-744.

Mechanical Behavior of Al-7Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc Alloy at Different Temperature

LI Jia-hang, CHE Xin, JIANG Xue-yu, YIN Shu-ying

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

The work aims to study the effects of different aging time on the strength of Al-7Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc alloy, as well as the effects of room temperature and −40 ℃ on the fatigue behavior of the alloy. The Al-7Zn-2.5Mg- 2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc alloy was subject to heat treatment with different aging time, and transmission electron microscope was adopted to observe its microstructure to explain the reason for the strength change of different aging time. For the T6 alloy under different applied total strain amplitudes, low-cycle fatigue experiments were carried out, and the comparative study on low-cycle fatigue behavior of Al-7Zn-2.5Mg-2.0Cu-0.1Zr-0.2Sc alloy in different temperature environments was conducted. The experimental results showed that at different temperature, the yield strength and tensile strength of alloy first increased and then decreased with the increase of aging time. The yield strength and tensile strength at −40 ℃ were both higher than those at room temperature. At low strain amplitude, the alloy exhibited stable cyclic stress response behavior. But it showed cyclic stability first and then cyclic hardening at high strain amplitude. At the same strain amplitude, the cyclic stress amplitude of the alloy at −40 ℃ was higher than that at room temperature, while the low cycle fatigue life of the alloy decreased with the decrease of temperature. In addition, the fatigue deformation mechanism was plane slip mechanism at room temperature and −40 ℃ low cycle fatigue loading. When the strain amplitude was 0.4% and 0.6%, the dislocation configuration in the fatigue deformation zone of the alloy was dislocation array, and when the strain amplitude was 1.0%, the dislocation configuration of the alloy was dislocation grid.

aluminium alloy; temperature; strength; low-cycle fatigue; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.020

TG146.2+1

A

1674-6457(2022)08-0140-08

2021–10–13

辽宁省教育厅科学技术研究服务地方项目（201724141）

李佳航（1996—），女，硕士生，主要研究方向为Al–7Zn–2.5Mg–2.0Cu–0.1Zr–0.2Sc合金的力学性能。

车欣（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向为金属材料及应用。

责任编辑：蒋红晨