2A70高强铝合金疲劳性能研究

周思奇，张虹，吴新涛

2A70高强铝合金疲劳性能研究

周思奇1，张虹1，吴新涛2

（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方发动机研究所，天津 300400）

为探究2A70高强铝合金疲劳性能，开展了2A70应力比＝-1温度＝25℃与＝150℃的高周疲劳试验。结合微观组织观测、应力－寿命（－）曲线绘制、典型断口观测，对其疲劳性能进行了研究。结果表明：温度升高会降低2A70高强铝合金的疲劳性能，温度为25℃和150℃时的疲劳极限分别为150 MPa和90 MPa；在常温和高温条件下都发生表面失效，裂纹萌生于次表面夹杂；2A70在疲劳加载过程中的主要断裂模式为解理断裂，在断口表面可以观察到大量河流花样和解理台阶。

2A70铝合金；微观组织；－曲线；失效机理

为满足现代飞机高速化、轻量化、高可靠性、低成本的发展需求，设计者对飞机用高强铝合金提出了更严格的要求[1]。飞机的设计思想不再局限于最初的静强度设计，转变成了更高要求的安全寿命设计、安全寿命/破损安全设计、安全寿命/损伤容限设计和耐久性/损伤容限设计[2]。为此有必要探究航空用铝合金材料的疲劳性能，作为现代飞机可靠性设计的依据。高强铝合金包括含铜2xxx系铝合金及含锌7xxx系铝合金，由于具备优异的机械性能被广泛应用于航空领域[3]。2A70属于Al-Cu-Mg-Fe- Ni系高强变形铝合金，具有可塑性强、易于锻造、密度低、耐高温性能好等优点[4]。目前国内外对2A70铝合金的研究主要集中在加工工艺[5-7]、微观组织[8-9]、力学性能[10-11]等方面，而关于疲劳特性的研究较少。

为明确2A70高强铝合金的疲劳性能，本文开展了2A70铝合金应力比＝-1、温度＝25℃、150℃的高周轴向拉压疲劳试验。以微观组织观察结果为基础，结合试验－曲线和典型断口观测，确定了2A70不同温度下的疲劳极限和温度对疲劳特性的影响，明确了2A70高周疲劳失效模式和失效机理。

1 材料及实验方法

1.1 材料及试样

本文研究材料为2A70高强铝合金，未进行特殊热处理，其化学成分如表1所示。

高周疲劳试验所用试样为沙漏状，具体尺寸如图1所示。试样加工时要求尽可能少地产生表面硬化及表面残余应力。试验开始前，用400～2000号砂纸，沿试件轴向进行打磨至其表面粗糙度低于0.32 μm。

表1 2A70铝合金化学成分

1.2 金相制样与高周疲劳试验方法

取金相样品若干，依次进行粗磨、精磨、抛光，然后使用混合酸溶液（硝酸5%＋氢氟酸17%＋水78%）对试样表面进行腐蚀，最后利用LEICA DM6M光学显微镜（OM，Optical Microscope）进行微观组织观测。

使用QBG-100高频率疲劳试验机进行轴向加载疲劳试验，设置试验应力比＝-1，温度分别为25℃与150℃，加载频率约80 Hz，试验装置如图2所示。疲劳试验结束后，选取典型疲劳断口，先用超声波清洗，然后用JSM-6610LV扫描电子显微镜对其进行观测及拍摄，并对其疲劳失效模式及疲劳失效原因进行分析。

图1 疲劳试样的形状及尺寸（单位：mm）

2 实验结果与讨论

2.1 微观组织

不同铝合金在加工和热处理过程中，由于化学成分的差异，会形成各种不同的相，合金中相的种类、含量和尺寸等都会对合金的力学和疲劳性能产生影响[12]。材料微观组织研究是疲劳性能研究的基础，为此，首先对2A70金相试样进行了观测和分析。

图2 高频疲劳试验系统

图3 2A70金相微观组织

2.2 疲劳S－N曲线

通过试验得到2A70铝合金应力比＝-1两种温度下（25℃、150℃）轴向加载高周疲劳－曲线，如图4所示。试验点通过梯级试验法得到，两种温度下，疲劳寿命都随着加载应力幅的降低而增大。其中，常温条件下，当应力幅降低到150 MPa时，出现了寿命N＞2×107的超长寿命点。在Semi-log坐标系下，疲劳寿命随应力幅下降基本呈现线性增加的趋势，采用最小二乘法对试验数据点进行线性拟合，得到25℃和150℃时2A70的－曲线方程分别为：

(25℃)＝－34.6×log()＋395.0

(150℃)＝－41.8×log()＋380.6

根据传统疲劳设计的无限寿命准则，认为材料的疲劳寿命超过107时，达到疲劳极限，结合－曲线方程可以计算得到25℃和150℃时2A70的疲劳极限分别为150 MPa和90 MPa。

图4 两种温度下2A70的S－N曲线

对比常温25℃和高温150℃下的两条－曲线，可以看到温度对2A70的疲劳性能有明显影响。与25℃疲劳试验结果相比，150℃条件下，2A70在相同应力幅下的疲劳寿命大幅下降。主要原因在于，随着温度的升高，2A70铝合金的屈服强度逐渐下降[13]，尤其是当温度达到100℃以后，材料的屈服强度明显下降，进而导致疲劳性能的下降。对比两条曲线的斜率，150℃时的－曲线斜率更小，这说明，在高温条件下，材料的疲劳寿命随应力幅的变化更明显。

2.3 典型断口观测

对试验的全部断口进行了宏观观察，发现所有试件的疲劳失效模式均为表面失效，选取高温试验与常温试验典型断口各一个，在扫描电镜（SEM，Scanning Electron Microscope）下进行观测。

图5为2A70应力幅＝150 MPa的高温疲劳断口SEM观测结果。从图5（a）中可以看到，此断口存在三个具有明显边界的区域，分别为裂纹萌生区、扩展区和瞬断区。其中，裂纹萌生区最光滑，其次是扩展区，瞬断区最粗糙，这体现了三个阶段裂纹扩展速率的差异。循环加载的初始阶段，铝合金发生循环硬化，塑性变形不断累积，微裂纹逐渐形成，由于微裂纹尺寸小、裂纹扩展缓慢，裂纹萌生区整体看起来比较光滑。当微裂纹扩展到一定尺寸，发展成为宏观裂纹，以裂纹萌生区为中心，呈放射状向四周稳定扩展。与裂纹萌生阶段相比，裂纹在稳定扩展阶段的扩展速率明显加快，形成的裂纹扩展区也更为粗糙。当扩展区的面积增大到一定尺寸后，试件的实际承载面积已经变得相当小，材料剩余部分的强度无法承受循环载荷，裂纹失稳扩展，试件迅速断裂，最终形成粗糙的瞬断区。在瞬断区内可以观察到明显的韧窝。

为深入探究2A70铝合金在不同阶段的失效机理，选取了裂纹扩展区和萌生区的特定位置进行局部放大，如图5（b）（c）所示。裂纹扩展区内观察到了大量的河流花样和解理台阶，由此可以推断，2A70铝合金150℃条件下高周疲劳的断裂模式主要为解理断裂。一方面，由于铝合金的晶粒取向不规则，在循环载荷的加载过程中，铝合金晶粒发生的解理形成的解理裂缝会在不同的结晶面上开裂，这些裂缝互相交错，就会形成河流花样；另一方面，由于不同的解理面高度互异，便会形成解理台阶。裂纹萌生区可以观察到明显的次表面夹杂，以夹杂为中心，裂纹呈放射状扩散，由此推断，裂纹从次表面夹杂周围开始萌生。与此同时，萌生区内也可以观察到解理台阶，进一表明2A70疲劳失效过程中主要发生解理断裂。

为明确温度对2A70疲劳失效过程的影响，选取相同加载应力下的常温疲劳断口，与高温断口进行对比分析，如图6所示。从区域划分上来说，常温断口与高温断口一样，也分为裂纹萌生区、扩展区和瞬断区。但从各个区域面积占整个断口面积的比例来看，常温断口的裂纹萌生区和扩展区所占比例更大，瞬断区所占比例更小。常温条件下，试件的疲劳寿命大大增长，裂纹在萌生区和扩展区经历的循环数相应大幅度增长，使这两个区域的面积增大。除此之外，在相同应力条件下，常温断口的瞬断区更小，这说明2A70铝合金的断裂韧度随温度变化，且温度越高，断裂韧度越小。在常温断口的扩展区中同样观察到了大量的河流花样，萌生区内也发现了夹杂，由此可见，常温条件下2A70的断裂模式与高温相同，裂纹都是先从次表面夹杂处萌生，向四周扩展，过程中伴随着大量的解理断裂。

3 结论

（1）高温条件下，2A70铝合金的疲劳性能明显下降，25℃和150℃时的疲劳极限分别为150 MPa和90 MPa；

（2）2A70铝合金高周疲劳失效全部为表面失效，裂纹萌生于次表面夹杂，其断口都可以分为裂纹萌生区、扩展区和瞬断区，三个区域粗糙度差别明显，可见明显分界线；

（3）2A70铝合金断口上可观察到大量河流花样和解理台阶，其高周疲劳断裂模式主要为解理断裂。

图5 2A70高温疲劳断口SEM观测结果（150℃、R＝-1、σa＝150 MPa、Nf＝486500）

图6 2A70常温疲劳断口SEM观测结果（25℃、R＝-1、σa＝150 MPa、Nf＝1907800）

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Study on the Fatigue Properties of 2A70 High-Strength Aluminum Alloy

ZHOU Siqi1，ZHANG Hong1，WU Xintao2

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2.China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China)

In order to investigate the fatigue properties of 2A70 high-strength aluminum alloy, a high cycle fatigue test with stress ratio=-1 and temperature=25℃ and=150℃ was carried out. Combined with microstructure observation, stress-life () curve and typical fracture observation, the fatigue properties of 2A70 was investigated and the influence of temperature was analyzed. The results show that the fatigue properties of 2A70 high-strength aluminum alloy decrease with the increase of temperature, and the fatigue limit is 150 MPa and 90 MPa when the temperature is 25℃ and 150℃, respectively. The surface failure occurs at both room temperature and high temperature, and the crack initiates at the subsurface inclusions. The main fracture mode of 2A70 in the process of fatigue loading is cleavage fracture, and a large number of river patterns and cleavage steps can be observed on the fracture surface.

2A70 aluminum alloy；microstructure；curve；fatigue failure mechanism

TH142.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.007

1006－0316 (2020) 05－0040－05

2019－11－15

周思奇（1996－），男，湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向为机械材料与结构的疲劳可靠性，E-mail：bitzhousq@163.com。