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摘要：研究铝合金疲劳断裂带产生机制现状，阐述了典型的铝及其合金元素对疲劳性能的相关影响规律。结果表明，通过控制合金元素的内容，减少杂质，提升纯净度，改善不良相关影响，提升热处理可以有效地改善铝合金的断裂韧性。
关键词：铝合金；疲劳性能；产生
铝合金广泛应用于机械工程、运输、化工、航天等领域。但有时出现在使用铝合金过程中，很难检测与防止疲劳断裂，疲劳断裂是由于材料在交变应力与应变的长期相关影响下出现的，表面或内部微裂缝，累积损伤断裂带达到临界尺寸后，组件在承受不起某一个压力下突然破裂。因此，材料疲劳性能成为许多构件设计的重要基础之一。
1疲劳断裂带出现
由于材料疲劳断裂带出现倾向于两相界面缺陷，如弱区或高应力区，通过不均匀滑移，从微小断裂带的产生逐渐扩展。它主要存在于以下几种可能的形式，通用工业铝合金，在纯金属或单相合金的情况下，材料表面的滑移带产生了滑移带，产生断裂带；当受到高应力或应变时，晶界低于晶体的滑动应力，晶界或亚晶界开裂。对于高强度合金，合金的夹杂物与第二相是易碎的。为了研究与提升铝合金材料的疲劳性能，需要进行疲劳断裂带出现与生成机理分析。
在合金的加工缺陷或粗夹杂中产生了7075 - t651铝合金的疲劳断裂带出现，疲劳断裂带扩展伴随着小平面断裂的发生。2524铝合金中的第二相粒子在疲劳断裂带产生过程中起了关键作用，大部分断裂带都是在粗颗粒或颗粒/基体界面上产生的。固溶处理能显著降低铝合金的残余相量，提升合金的疲劳性能。
319- t7铝合金的疲劳断裂带出现源于铸件孔隙的孔洞，也发现断裂带源区域与氧化膜的产生密切相关。AL5铝合金的铸造缺陷对疲劳断裂带的出现有很大的相关影响，主要相关影响疲劳断裂带出现区的应力状态。合金的纵向疲劳性能是最坏的，水平最优，随着应力水平的增加，表面断裂带的产生增加。
显然，铝合金缺陷薄弱地区，较大的第二相粒子，孔隙与孔洞/第二阶段的重点区域，在连接接口等对疲劳断裂带出现行为产生最重要的相关影响，是断裂带产生的主要来源，这些缺陷的产生主要取决于合金成分与冶金质量控制。
2化学成分
2.1主要合金元素
大量研究表明，提升铝合金中各主要合金元素含量可以降低产品的断裂韧性。在7 系列铝合金中，锌含量对强度的相关影响大于对断裂韧性的相关影响，因此，在追求高强度、高韧性与高锌铝合金时，其他合金元素保持不变或略低。相关影响合金的疲劳性能的主要合金元素是铜，铜的质量分数大于2.3%容易产生S相，在后续热处理过程中很难完全消除。残馀硬相与基体界面成为疲劳断裂带出现的重要来源。Mg元素对疲劳性能与力学性能的相关影响相对较小，主要取决于Zn含量，可以充分发挥MgZn 2相的析出强化作用。因此，高Zn低铜铝合金在7085与7475的疲劳性能相对较高，但这种合金的强度略低于7055等铝合金。
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2.2杂质元素
在铝合金中降低Fe、Si等杂质元素的含量，提升金属的纯度，可以大大提升断裂韧性，但不会显著降低合金的强度。因此，高纯度铝合金(主要为Fe与Si含量)具有较高的断裂韧性。美国在2024与7075铝合金的基础上，减少与精确控制Fe与Si杂质（质量分数为0.4%~0.5%降到0.15%以下）。开发了一系列高纯度铝合金，如7175、2224、2324、2124与7475。此外，还有7150，7250铝合金，由7050铝合金开发的7255铝合金。由于杂质元素的减少，这些高纯度铝合金的抗应力腐蚀性能、疲劳强度与断裂韧性明显提升，侧向性能得到了提升。铁与硅元素对铝合金的疲劳性能相关影响的原因是Fe与Si将产生不溶性硬脆第二阶相，如A1 6(Mn，Fe)，Al 7 Cu 2 Fe与alpha(Al-Fe-Si-Mn)。产生的结晶相链沿变形方向分布处理后，引起局部显著降低合金的塑性变形能力，使容易相处的硬脆性断裂带出现，沿着链第二相的分布与扩展，降低了合金的塑性与韧性。
2.3微量合金化元素
微合金化过渡或稀土元素(锆、钛、铬等等)来提升合金的综合性能的相关影响，如添加Sc元素，不添加Sc 元素的Al -锌镁合金的断裂韧性相比，前者可以高3单位，除了自己的微合金化元素的强化，更大的作用是改善合金的组织，从而改变原合金再结晶组织变形纤维组织，以提升疲劳性能。一般来说，因为材料组织状态变化引起的强度增加，会降低材料的韧性，但许多研究发现，细颗粒可以提升强度与韧性的同时，满足材料强度与韧性提供了一种理想的匹配。颗粒大小相关影响断裂韧性。纤维组织可使铝合金具有良好的韧性，而大尺度与其他轴向再结晶的铝合金断裂韧性最差。晶粒尺寸对材料断裂韧性的相关影响实际上是晶界对多晶材料断裂带扩展的相关影响。由于晶界是晶体中排列的原子的混沌区域，当断裂带经过晶界时，断裂带很难突破。当断裂带经过晶界时，由于晶粒方向，断裂带扩展方向需要改变，膨胀所需的能量增加。因此，晶粒越细，晶界越细，断裂带传播的阻力越大，材料的疲劳性能越高。
3冶金缺陷
铝合金中非金属夹杂物对疲劳性能的相关影响取决于材料的大小、数量、形状以及夹杂物的类型，如基体弱，大脆性夹杂物的大小与球硬包体的危害性最大。随着铝合金强度的提升，夹杂物对疲劳性能的相关影响更为显著。铝合金的孔是金属凝固时产生的孔。这些孔产生球形，无论是单一的形状还是致密的分布，还是在合金锭中。一方面，它导致了疲劳样本实际横截面面积的减小，另一方面，它为应力集中的出现创造了条件。研究与分析发现，铝合金疲劳性能的孔隙大小、品种与位置有不同的相关影响。
4结论
铝合金在循环应力作用下，发生循环滑移，产生高度均匀的圆形滑移带，在一些局部地区，循环滑移带往往较弱集中分布，如第二相，夹杂物松动。冶金缺陷主要取决于合金成分与冶金质量控制，如铝合金含铁、硅等杂质元素的阶段，这些硬杂质在矩阵将造成很大的应力集中，与它的脆性断裂或分开的铝基板，微断裂带的出现。因此，控制合金元素含量，减少杂质，使用先进的清洁技术与先进的铸造设备，改善热处理工艺是提升断裂韧性铝合金的有效措施。
参考文献
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[2]邓红华, 夏琴香, 程秀全,等. 喷丸对预腐蚀后铝合金疲劳性能的影响[J]. 表面技术, 2016, 45(1):118-123.
论文作者:邓达生,王彬善
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：铝合金论文; 合金论文; 疲劳论文; 韧性论文; 性能论文; 元素论文; 应力论文; 《基层建设》2017年第33期论文;