文|煮酒
编辑|煮酒
前言随着轻量化设计日益普及,对新材料在循环加载条件下的疲劳性能提出了更高要求。铝基材料由于其低密度、高强度比的优异性能,在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。
然而，这类材料在循环载荷下也容易发生疲劳损伤，削弱结构安全性。
因此，深入研究铝基材料的疲劳失效机理，开发新技术提高其抗疲劳性能，对确保工程结构安全使用寿命意义重大。
CG材料的硬度近年来，一种广泛而有效的增强循环力学性能的方法是通过合金化来增加材料的强度，特别是如果材料在高循环状态下加载。
因此，在这项工作中，在ARB加工前，在退火CG条件下测量了三种不同研究材料的循环力学性能。三种不同铝样品的硬度随着外来元素的增加而上升，从AA1050（0.56GPa）到AA5005（0.79GPa）到AA5754（0.83GPa）。
疲劳试验的结果显示在维勒S–N图中，其中样品底部的最大应力幅度与失效疲劳循环的对数作图。在阈值应力σ下，所有单一材料的疲劳寿命曲线可以清楚地分为低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）状态 门槛。此时，疲劳期间的平均应力超过了材料的屈服强度。
因此，在高于σ的应力下门槛，样品下部发生明显的塑性变形。对于单一材料，宏观裂纹扩展对总疲劳寿命的比例在这两个阶段之间明显不同。
UFG显微组织提高材料强度的另一种方法是减小晶粒尺寸。图中显示了AA0的示例性ARB循环次数后的微观结构。AA1050和AA5754样品在晶粒细化过程和机械性能方面表现出非常相似的行为。
晶粒尺寸明显减小，经过两个ARB循环后已经实现了非常均匀的UFG结构。这是由于在ARB之前对板材进行冷轧，导致高位错密度，从而加速了随后ARB循环中的晶粒细化过程。
第2和第4个ARB周期之间的晶粒细化没有那么明显：晶粒细化的主要部分发生在第一个ARB周期中，在给定数量的ARB循环后，由于位错产生和湮灭的补偿效应，产生了准稳态饱和晶粒尺寸。在这种状态下，进一步的ARB循环主要增加晶粒之间的取向错误。
晶粒尺寸的减小明显影响材料的机械性能：硬度随着ARB循环次数的增加而升高，从退火前ARB状态到ARB处理后的样品。
在前两个ARB循环之间，疲劳寿命也得到了显着改善，大部分晶粒细化都发生在这两个循环中，与N2样品相比，N0样品的疲劳寿命曲线明显偏移到更高的应力幅度，相比之下，与N4样品相比，N2样品在LCF状态下的疲劳寿命仅略有增加，在HCF状态下几乎相同。
图b显示了增加的ARB循环次数对5×10时的耐久应力幅值的影响4和5×106显示周期。前两个ARB循环导致LCF和HCF状态下的疲劳寿命大幅增加。在第2和第4个ARB循环之间，LCF状态下的疲劳寿命略有增加。
单一材料样品的疲劳寿命主要取决于所研究的所有应力振幅和所有不同ARB加工条件下宏观裂纹的引发。然而，在LCF状态下，宏观裂纹扩展占总疲劳寿命的比例显着更高，因此，第2和第4个ARB循环之间的微观结构变化主要影响样品中的裂纹扩展。
均质LMC：铝/铝LMC除了开发UFG微观结构外，还可以通过ARB工艺生产LMC。在这种情况下，我们必须区分同质和异质的LMC。在第一种情况下，LMC由都属于同一合金家族的层材料组成，例如铝合金。
在后者中，层材料属于不同的合金家族，例如铝合金与钢的组合。本节讨论了由不同铝合金AA1050/AA5005和AA1050/AA5754制成的均质LMC的影响。
在这些LMC中，材料界面处仅存在硬度差异。弹性性能的差异相当小，可以忽略不计。在两个LMC的第一个ARB循环中，将1.5毫米厚的较硬材料（AA5005或AA5754）卷粘成两张2.5毫米厚的AA1050片，形成“三明治状”结构。
在第二个ARB循环之后，生产由低强度AA1层和两个较硬材料AA1050或AA5005的夹层组成的LMC。中间膜的位置分别位于样品总高度的5754/5和1050/5005。
两种金属之间的结合良好，界面处没有可见宏观的结合缺陷。在两个LMC中都实现了均匀的层架构，而较硬的层没有明显的颈缩。材料界面处的微观结构如图a，b所示。不同的铝合金可以通过其不同的晶粒尺寸清楚地识别出来。
AA1050/AA5005和AA1050/AA5754LMC所有层的硬度都非常均匀。然而，可以检测到材料界面附近较软层的小幅增加和较硬层的减少。虽然压痕在视觉上是一种材料，但压痕周围的塑性变形体积已经受到相邻层的影响，因此压痕深度增加，产生的硬度降低。
为了更好地比较整体行为，不同材料的平均硬度的更有意义的值绘制为虚线。硬度与微观结构观察结果密切相关。AA1050A层硬度最低，AA5005层硬度中等，AA5754层硬度最高。
将复合材料与传统的ARB加工单一材料进行比较表明，各个层的硬度也非常相似。综上所述，可以得出结论，单材料中外层的微观结构和硬度是相同的。
唯一的区别是层界面处的硬度差异，这可以解释疲劳寿命和裂纹扩展机制的可行差异。
LMC和单一材料的疲劳寿命曲线可以在阈值应力下清楚地分离到LCF和HCF状态σ 阈值130兆帕。此时，样品疲劳时的平均应力达到150MPa，与AA1050UFG单一材料经过2个ARB循环后的屈服强度相同。
因此，在应力高于σ ，样品下部发生明显的塑性变形。应力振幅高于 σ 门槛，宏观裂纹扩展对LMC和单一材料的总疲劳寿命的分数差异很大。在这些应力下，宏观裂纹扩展清楚地覆盖了LMC中总疲劳寿命的很大一部分与单材料。
同时，在应力振幅低于 σ 阈值，所有样品的大裂纹扩展分数相似（N ≈1–5%)。图b描述了不同LMC和单一材料的失效疲劳循环。
这些值分别代表LCF和HCF状态下的疲劳寿命。对于这两种LMC，与LCF和HCF状态下的单一材料板相比，疲劳寿命显著提高。
比较两种LMC，两种复合材料在应力振幅低于阈值应力σ时几乎相同门槛。然而，在较高的应力幅度下，AA1050/AA5754复合材料的疲劳寿命明显更高。
如前所述，LMC中的外部AA1050层与单一材料之间没有微观结构差异。因此，疲劳行为的差异必须与层界面处较高的硬度梯度有关。组成材料之间的硬度差越高，疲劳寿命越长。
异构LMC：铝/钢LMC
可以在ARB过程中组合不同的材料,通过改变各层强度的差异以及材料界面处杨氏模量的差异来定制材料属性。已经生产了由铝合金AA5005和深冲钢DC01组成的铝/钢LMC，以研究这种异质结构对疲劳行为的影响。弹性模量差异大。
该LMC的处理与前几节中的LMC类似。在第一个ARB循环中，将1毫米厚的DC1板卷粘在两张01.2毫米厚的A5片之间，形成“三明治状”结构。
在第二个ARB循环之后，形成基于铝的LMC，带有两个钢夹层。
已经研究了第5005次ARB循环后AA01/DC2LMC界面上的层结构、微观结构和硬度：LMC的层架构非常统一。
材料之间的结合性良好，材料界面处不存在宏观粘接缺陷。两种材料的平均晶粒尺寸远低于1μm，并且沿轧制方向强烈拉长。
该LMC中AA5005层中的晶粒尺寸与AA5005单材料样品的晶粒尺寸非常相似，如图所示。相比之下，DC01层中的晶粒尺寸相当不均匀。
该层的微观结构主要由具有典型细长形状的UFG晶粒组成。然而，在某些区域，可以找到直径约为1μm的等轴晶粒。AA5005层内的硬度非常均匀。
AA5005单一材料的硬度几乎与LMC相同，DC01中间膜的硬度明显高于AA5005层。此外，由于微观结构更不均匀，DC01中的硬度散射得更强烈。材料界面处1.96GPa的硬度差非常大，相当于AA178层硬度的5005%。
在铝/钢LMC中，钢层的强烈应力局部化。与铝单一材料样品中的最大应力相比，这导致下部钢铝界面处的最大拉伸应力为135%。与此相反，外铝层中的最大拉伸应力仅降低到具有恒定杨氏模量的试样所获得值的82%。
与AA5005单一材料相比，AA01/DC5005LMC在LCF和HCF状态下的疲劳寿命显著提高。
LCF状态下疲劳寿命的增加是抗裂纹扩展能力提高的结果。在AA5005/DC01LMC中，宏观裂纹扩展覆盖了总疲劳寿命的很大一部分。
提醒一下，对于单一材料样品，该值仅为5%。在HCF状态下，所有样品的疲劳寿命主要由裂纹萌生（N ≈1–5%)。
HCF状态下的疲劳极限显著增强（≈20%）主要是由于AA5005外部表面的应力降低，与AA18单一材料相比，AA5005/DC01LMC的应力降低约5005%。
结论通过对累积辊压制备的铝基层状金属复合材料进行低周疲劳和高周疲劳试验研究，系统地揭示了其抗疲劳性能与微观结构的关系，获得了以下主要结论。
超细晶组织显著提高了材料的抗疲劳性能。超细晶化提高了材料硬度，使疲劳曲线向高应力水平移动，因此无论在低周疲劳还是高周疲劳条件下，其疲劳强度和抗疲劳寿命均优于常规粗晶材料。
异质层压界面对抗疲劳性能的影响与疲劳载荷条件相关。在低周疲劳条件下,软硬材料界面可产生裂纹偏转效应，延缓裂纹扩展，而在高周疲劳条件下，，载荷主要由硬相传递，因此抗疲劳性能由硬相性能决定。
硬度差异和杨氏模量差异较大的异质层压复合材料无论在低周还是高周疲劳条件下，其疲劳强度和抗疲劳寿命均明显优于单一材料，展现出协同增强效应。
异质界面使复合材料中的疲劳裂纹扩展速率大幅减缓，并可使裂纹在界面停止扩展，避免快速破坏，提高了结构安全性。
参考文献1 J. Albert, Arch. Miner. Geogn. Bergbau Hüttenkd. 1838, 10, 215.
2 A. Wöhler, Z. Bauwesen 1863, 13, 233.
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