中南大学《JMST》：晶粒对Al-Cu-Li合金疲劳裂纹扩展行为的影响

编辑推荐：优化热处理过程中的再结晶行为提供了获得理想晶粒结构的潜力，能够改善了铝合金的机械性能。文章研究了晶粒结构对热轧（HR）和冷轧（CR）Al-Cu-Li合金疲劳裂纹扩展（FCP）行为的影响。亚晶界对小裂纹扩展速率有显著影响，晶粒内特定的蜂窝结构由于适应塑性变形，可以提高合金的变形能力，这有助于降低HR试件的疲劳裂纹扩展速率和较高的阈值。晶内偏向也会使FCP速率减速，并发生在这些没有亚晶界的大晶粒区域。CR试样发生重结晶，由于再结晶织构，Pairs阶段不同取向的抗疲劳性各向异性较小。当它疲劳裂纹相对较低的施密特因子值进入晶粒时，往往会沿晶界传播。

Al-Cu-Li合金由于优异性能已应用于飞机和航天制造工业。疲劳裂纹扩展（FCP）作为疲劳损伤容限的常用性能参数之一，对影响材料的安全保证起着至关重要的作用。晶粒结构是影响FCP速率的最重要因素。塑性变形过程中的晶粒取向通常与施密特因子有关。这些施密德因子较低的晶粒取向与裂纹挠度和晶间裂纹的发生有关。亚晶界的不均匀性在循环荷载过程中局部应力集中的形成中起着重要作用，显著影响裂纹的萌生和扩展。文章采用FCP试验来评价不同轧制工艺对Al-Cu-Li合金板材疲劳性能的影响，特别是晶粒和取向内的晶界。将给出这些合金板在固溶处理后用冷轧和热轧的晶粒形貌和晶体学表征。随后，将详细分析这些微观结构对这种不同取向合金的拉伸性能和FCP行为的影响。相关论文以题为“Effect of grain structure on fatigue crack propagation behavior of Al-Cu-Li alloys”发表在《JMST》杂志上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.10.085

图1 HRT和CRT试样在LT和TL方向上的应力强度因子(ΔK)的FCP速率曲线

对于HRT试样，FCP速率在稳态疲劳裂纹扩展阶段（Paris region）波动明显，没有明显的不稳定疲劳裂纹扩展阶段。在Paris region，LT取向试样在较低ΔK值下比TL取向试样具有更高的FCP率，在较高的ΔK 值下显示较低的 FCP 速率。对于LT和TL取向的CRT试样，在疲劳裂纹扩展阈值区附近，存在Paris region和不稳定疲劳裂纹扩展区。LT和TL取向的试样的两条曲线本质上是相互叠加的，这表明不同取向下的裂纹扩展性能基本相同。

图2 ND-RD平面HRT和CRT标本EBSD图像:(a) HRT标本IPF图，(b) CRT标本IPF图，(c) HR标本对应波段对比图，(d)红色矩形高倍放大图。

在相应的带状对比图中，在具有LAGB的这些区域中清楚地观察到了大量的亚晶粒，对于CRT试样，层间晶粒形貌被一些晶粒等轴晶粒包围，表明完整的再结晶特性。固溶处理后，HRT和CRT试样的第二相颗粒已溶解到基质中。未溶解的棒状二次相颗粒在CRT试样中沿晶界线性分布。

图3 (a) HR试样，(b) CR试样，(c) HRT试样，(d) CRT试样，(e)循环疲劳后HRT试样，(f)循环疲劳后CRT试样的TEM图像。

线性位错在HR试样的亚晶粒和亚晶界周围纠缠。固溶处理后，HR试样中的位错消失，取而代之的是细亚粒。此外，可以观察到大量分散的颗粒，可以鉴定为不溶性Al3Zr。约120°的三叉晶界表明晶粒完全重结晶或完全生长。循环疲劳后，在HRT和CRT试样的晶粒或晶界内也观察到螺旋状位错。

图4 循环疲劳时含亚晶疲劳裂纹尖端区域微观组织演变示意图:(a, b)主裂纹到达时，裂纹尖端区域发生变形，位错集中在亚晶边界附近;(c)随着应力集中的加剧而形成微裂纹;(d)主裂纹通过微裂纹的相互连接沿微裂纹扩展。

局部区域的小裂纹扩展速率受相邻微裂纹相互作用和晶界阻塞的影响较大。通过分析裂纹尖端有亚晶区域的微观组织演化，可以确定亚晶边界导致小裂纹扩展速率的减速和加速，这与HRT试件力学性能的显著波动相一致。当裂纹尖端接触亚晶界时，裂纹扩展速度明显减缓，导致裂纹扩展速率降低。当主裂纹沿这些微裂纹扩展时，由于微裂纹的合并，裂纹扩展速度加快。晶界对位错运动的阻断作用导致裂纹遇到晶界时FCP速率减慢。此外，晶界可以迫使裂纹改变扩展路径，从而增加了扩展能量和扩展距离，导致裂纹发生分叉和偏转。在相同应力值下，较大Schmid因子的黄铜和S晶粒沿RD方向的分辨剪应力高于沿TD方向的分辨剪应力，导致沿RD方向的强度较低，疲劳裂纹扩展速率较高。非典型纤维组织增强了合金沿RD方向的抗裂纹扩展能力。同样，由于Cube晶粒的再结晶，CRT试样沿LT和TL方向的疲劳裂纹扩展行为具有较小的各向异性。

回复再结晶是HR试件在固溶过程中的主要机理，当裂纹尖端遇到亚晶界时，会发生明显的减速。而微裂纹亚晶界的聚结加快了裂纹扩展速度。在不同取向下，HRT和CRT试样在LT取向下的疲劳抗力高于TL取向下的Paris阶段疲劳抗力，这归因于晶界的阻塞效应。当疲劳裂纹进入施密特因子值较低的晶粒时，大量滑移系统难以启动，导致应力集中，裂纹扩展受阻。（文：晓太阳）

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