铝合金材料的疲劳研究进展
1铝合金材料的疲劳研究进展
徐超，杨尚磊
（上海工程技术大学 材料工程学院 上海 201620）
摘要：综述了铝合金材料的疲劳研究进展，介绍了铝合金材料的疲劳裂纹萌生机制和特性、裂纹扩展规律及其扩展阶段
的研究进展，同时概述了裂纹疲劳行为的影响因素和微观机理方面的最新研究进展，最后从裂纹萌生和扩展机制以及微观
机理等方面概述了铝合金疲劳行为研究趋势。
关键词：铝合金 疲劳 裂纹萌生和扩展 微观机理
0 前言
材料的疲劳性能指标是许多构件设计的重要
依据之一，为此从微观上分析研究材料疲劳裂纹
萌生和扩展特点以及他们与材料本证微观结构之
间的关系具有重要指导意义[1]
。由疲劳引起的焊接
构件表面产生的裂纹萌生、扩展和断裂，都会导
致一系列严重的影响，致使整个系统出现失效现
象。疲劳行为的研究已经成为材料学中的一个重
要分支，由于其存在的广泛性，越来越受到国内
外众多学者的关注。
铝合金由于密度小、比强度高，耐蚀性好，
在汽车、列车、船舶、航空、航天等领域得到了
广泛的应用，同时还具有良好的成形工艺性和焊
接性，因此铝合金成为在工业中应用最广泛的一
类有色金属材料[2]
。铝合金材料的疲劳破坏是汽
车、列车、船舶、航空、航天领域中经常遇到的
现象，所以对铝合金的疲劳行为的研究更具有重
要意义。目前对铝合金疲劳裂纹的萌生、扩展和
断裂的微观特征以及疲劳寿命的预测研究也相当
广泛，因此，本文对铝合金材料的疲劳研究进行
了综述。
2 铝合金材料的疲劳研究现状
2.1 疲劳裂纹的萌生
由于交变载荷的循环作用，疲劳裂纹的萌生
过程往往发生在材料存在缺陷或薄弱区域以及高
应力区，其通过不均匀的滑移或位移，从微细小
裂纹形成而逐渐长大扩展至断裂。主要可能存在
以下形式:对一般的工业合金，在交变应力作用下
第二相、夹杂物与基体界面开裂；对纯金属或单
相合金，尤其是单晶体，材料表面的滑移带集中
形成驻留滑移带就会形成开裂；当经受较高的应
力或应变幅时，晶界结合力在低于晶内滑移应力
下，晶界或亚晶界处易发生开裂；另外，对高强
度合金，也会由于夹杂物、第二相本身属于脆性
相从而发生开裂。
由于疲劳裂纹的萌生在整个疲劳裂纹形成过
程中占有相当重要的地位，因此，很多学者对疲
劳裂纹的萌生进行了研究。
Chen和Tokaji[3]
研究了2024铝基SiC粒子增
强相复合材料的疲劳裂纹萌生行为，发现了疲劳
裂纹萌生的阻力随着SiC粒子数和尺寸的增加而
减小，裂纹的萌生大多数与粗大粒子有关，并且
粒子和基体间的界面存在剥离现象，使得裂纹萌生于粒子尖端处，这可能与粒子的尺寸和形状相
关。Campbell[4]
等人研究了319-T7铸造铝合金的
的疲劳裂纹萌生行为，发现疲劳萌生起源于铸造
中产生的气孔等孔洞，并且裂纹源区与氧化膜的
形成也有关。 Shaniavskiy[5]
等人研究了飞机Tu-
154M上液压泵的AL5铝合金的疲劳裂纹萌生机
制，发现AL5铝合金的铸造缺陷对疲劳裂纹的萌
生有很大的影响，其影响了材料疲劳裂纹萌生区
的应力状态。ZHAI[6]
研究了铝锂合金疲劳裂纹萌
生处的强度分布情况，发现在L方向疲劳性能最
差、S方向最佳，并且表面裂纹的形成随着应力水
平的提高而增加，同时其表面裂纹通过韦伯公式
来分析了疲劳裂纹薄弱区的密度和强度分布状
况。Merati[7]
观察了2024-T4合金中萌生裂纹与未
萌生裂纹的粒子尺寸,发现萌生了裂纹的粒子是观
察到的粒子中尺寸最大的。Payne J[8]
等人采用扫描
电镜（SEM）观察了7075-T651铝合金疲劳裂纹
的萌生演化过程，发现粗大的第二相粒子对疲劳
裂纹的萌生行为有显著的影响。Mirzajanzadeh[9]
等
人研究了7075铝合金试样过盈装配对疲劳裂纹萌
生行为的影响，发现过盈装配的断裂试样，其疲
劳裂纹萌生于开孔试样的最小横截面中间，与孔
洞边缘的微动磨损有很大的关系。
显然，缺陷薄弱区、第二相粒子的粗大、气
孔和孔洞集中区域、界面交界处对疲劳裂纹的萌
生行为有显著的影响，是铝合金材料中主要裂纹
生源。但是这些因素的对疲劳裂纹萌生的影响很
复杂，需要进一步通过SEM原位观察等手段来分
析其裂纹萌生的演变过程，确定其各个因素与裂
纹萌生行为的关系，同时也可以改进制备工艺等
手段来减少裂纹萌生。
2.2疲劳裂纹的扩展
研究疲劳裂纹的扩展规律是疲劳裂纹试验过
程中的基础环节，疲劳裂纹的扩展微观模式受材
料的滑移特性、晶界和晶粒取向、析出相、显微
组织特征尺寸、应力水平及裂纹尖端塑性区尺寸
等的影响。一般可以将疲劳裂纹的扩展分为三个
阶段：近门槛扩展阶段、高速扩展阶段(Paris区)和
最终断裂阶段。
Forsyth[10]
把导致z字型裂纹扩展路径的纯滑
移机制定义为第Ⅰ阶段裂纹扩展，并且在许多铁
合金、铝合金和钦合金中都己经观察到裂纹的第
Ⅰ阶段扩展。Forsyth[10]
还指出对于大多数合金来
说，第I阶段扩展通常很短，但是当应力强度因子
范围较高时，裂纹尖端塑性区跨越多个晶粒，这
时裂纹扩展开始沿两个滑移系统同时或交替进 2行，他把这种以双滑移机制扩展定义为第Ⅱ阶段
扩展。在很多工程合金材料的第Ⅱ阶段断口上通
过SEM可观察到疲劳条纹。
近年来，国外对疲劳裂纹扩展行为的研究关
注度也很高。Ranganathan等人[11]
研究了铝锂合金
的疲劳裂纹扩展机理，发现疲劳裂纹的辉光条纹
在块加载情况下的的形貌有别于传统延展性较好
的辉光条纹，这种特殊加载情况下形成的疲劳条
纹是由于在间断的疲劳裂纹扩展过程中所发生的
多滑移系以及滑移均质化所致。Grayson等人[12]
研
究了2系铝合金的疲劳裂纹扩展行为，观察断裂
表面发现三个明显区域：区域Ⅰ包括裂纹的起源
和早期的晶内裂纹扩展；区域Ⅱ由于脆性Al
2Cu
粒子在裂纹塑性区尖端开始发生断裂，使得材料
的晶界成为裂纹优先扩展的位置，所以其扩展规
律变为晶粒间的裂纹扩展机理，这个扩展机理的
变化明显区分了区域Ⅰ和Ⅱ；区域Ⅲ中，疲劳裂
纹进一步扩展，由于孔隙聚结最终试样发生断
裂，其呈现的金相微观特征为：晶粒取向交叉平
行、犁沟辉光条纹和台阶状的疲劳裂纹等特征。
Gasqueres等人[13]
研究了AA 2024A T351铝合金在
223K时的疲劳裂纹扩展行为，其疲劳扩展机制在
随着环境温度的改变有很明显的变化，这个变化
体现在疲劳裂纹扩展在室温下的第Ⅱ阶段过渡到
223K时疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段。223K时的第Ⅰ
阶段裂纹扩展随着平面滑移的增加而变化，并且
受低温和低压的影响。Michel等人[14]
研究了铝合
金在不同环境条件下疲劳裂纹扩展机理以及各种
因素对其的影响，发现2系和7系铝合金在满足特
殊环境、应力比、频率及应力强度因子范围条件
下，其裂纹扩展机制表现为表面单层氧化膜中亚
稳相的断裂机理，并且其裂纹尖端的位错从单平
面滑移演变为多平面滑移机制。Kamp 等人[15]
研究
晶界对铝合金疲劳裂纹扩展的影响，发现晶界从
一定程度上阻碍了驻留滑移带的穿晶扩展，并且
它是一种弱化的裂纹扩展路径，裂纹倾向于沿晶
界或亚晶界扩展。Zhai 等人[16]
研究了2系和7系
铝合金中析出相对疲劳裂纹扩展的行为的影响和
作用，发现当析出相为可剪切的粒子时，疲劳裂
纹的扩展抗力较高，相反，这时滑移出现不可逆
现象，其可以致使裂纹持续的扩展。
因此，研究铝合金疲劳扩展裂纹尖端产生位
错的作用机理，研究位错与滑移、应力水平、微
观结构特征尺寸以及尖端塑性区尺寸对疲劳裂纹
扩展的影响是相当有意义的，但是在β相、GP
区、相界和裂纹尖端塑性区对裂纹扩展路径和裂
纹偏析的影响问题上仍有待改善和研究。
2.3疲劳裂纹的影响因素研究
疲劳行为是一个复杂的变化过程，涉及影响
疲劳裂纹的因素颇多，国外学者对疲劳裂纹的影
响因素进行了长期的研究，并且从各个角度分析
归纳了疲劳裂纹的影响因素。 Sharma等人[17]
研究了AA 2219铝合金各种时
效处理对裂纹的疲劳行为的影响，发现在自然时
效处理下的合金对疲劳裂纹萌生的阻力最大。在
阀值区的欠时效合金由于低疲劳裂纹扩展速率的
影响，其平面滑移系存在滑移不可逆性，然而在
峰时效和过时效合金中，其多滑移系及其滑移可
逆性又导致了高的疲劳裂纹扩展速率。上述表明
在低∆K值下的欠时效合金微观结构对疲劳行为产
生有利的影响，相反，在高应力强度范围下，由
于欠时效合金的大驱动力作用而造成的低屈服强
度导致了较大的疲劳裂纹扩展速率。Hagihara等人
[18]
研究了A6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊焊接接
头，在氢气环境下对接头疲劳裂纹扩展的影响，
发现裂纹的萌生在热影响区并且扩展导致断裂。
在氢气环境下，铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的疲
劳寿命不如在氮气环境下的好，但基本与母材相
同。在裂纹扩展早期，接头的疲劳裂纹扩展速率
相比于母材要快，这可能是由于过时效合金的微
观结构特征所致。Burlat等人[19]
研究了低温工作环
境对7475-T7351铝合金的疲劳寿命的影响，发现
低温环境能给材料的疲劳寿命带来有利的影响，
但是高残余应力给材料的疲劳寿命带来了负面作
用，而其中残余压应力又对裂纹扩展有延迟阻碍
作用。Zupanc和 Grum[20]
研究了斑蚀对7075-T651
铝合金的疲劳行为的影响，发现了铝合金的疲劳
性能大大下降是由于材料的斑蚀诱发的应力集中
而导致的，通过喷丸处理而获得的表面压应力和
表面硬化作用能有效的阻碍裂纹的萌生和扩展从
而延长了疲劳寿命。Wasekar等人[21]
研究了6061-
T6微弧氧化镀层铝合金在预置腐蚀环境下对疲劳
行为的影响，发现预置在3.5%氯化钠溶液中进行
疲劳试验，明显降低了材料在交变应力下的高周
疲劳寿命，而微弧氧化镀层相比于无镀层铝合金
有抵抗腐蚀的作用。Kassim等人[22]
研究了预应变
对7050-T7451铝合金的影响，研究表明随着预应
变的增加疲劳寿命有明显减少，这可能是由于裂
纹萌生时材料微观结构的改变引发的。Tokaji[23]
研
究了应力比对SiC粒子增强相铝基复合材料的影
响，在R=-1时，疲劳强度和无增强相粒子铝合金
材料相同，而在R=0和0.4时疲劳强度有明显的下
降，主要由于拉应力对SiC/Al复合材料的不利影
响所致，另外疲劳裂纹萌生于增强相和基体界面
处并且沿着界面扩展，在拉应力作用下SiC粒子
和基体间较容易出现剥落现象。Suraratchai等人[24]
通过有限元分析了表面粗糙度对铝合金疲劳寿命
的影响，发现由于表面粗糙而引起的应力集中降
低了疲劳寿命，对疲劳行为产生了不利的影响。
Lonyuk等人[25]
研究了硬质阳极氧化和等离子电极
氧化镀层对7475-T6铝合金疲劳性能的影响，发现
氧化镀层大大降低了材料的疲劳强度，残余拉应
力和应力集中是引起疲劳强度下降的主要原因，
而残余压应力有利于疲劳性能。Oskouei和
Ibrahim[26]
研究了热处理对7075-T6铝合金TiN镀
增材制造金属材料的疲劳性能研究进展
第16卷 第1期 精 密 成 形 工 程 2024年1月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 1
收稿日期：2023-08-26
Received：2023-08-26
基金项目：天津市教委科研计划项目（2020KJ104）
Fund：Tianjin Municipal Education Commission Scientific Research Program Projects (2020KJ104)
引文格式：代俊林, 吴世品, 张宇, 等. 增材制造金属材料的疲劳性能研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 1-13. DAI Junlin, WU Shipin, ZHANG Yu, et al. Research Progress on Fatigue Properties of Additive Manufactured Metal Materials[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 1-13. *通信作者（Corresponding author） 增材制造金属材料的疲劳性能研究进展
代俊林1，吴世品1,2*，张宇1，王雪娇1，马强3
（1.天津职业技术师范大学，天津 300072；2.天津大学 现代连接技术实验中心，天津 300350；
3.天津金桥焊材集团有限公司，天津 300399）
摘要：金属增材制造作为前沿热点制造技术之一，近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利
用增材制造技术制备金属材料的过程中，不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷，虽然工艺
技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度，但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程
中，缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核，造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质
LY12铝合金微弧氧化后疲劳特性研究
ＬＹ１ ２铝合金微弧氧化后疲劳特性研究
徐 丽 ，陈跃良。，郁大照 ，胡家林
（１．海军航空Ｘ－程学院青岛分院研究生队，山东青岛２６６０４１；２．海军航空Ｘ－程学院青岛分院飞机教研室，山东青岛２６６０４１）
摘 要：微弧氧化是一种新兴的表面改性技术，利用８１０ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ疲劳试验机，对
ＬＹ１２一ＣＺ铝合金微弧氧化后疲劳特性进行了研究。结果表明：疲劳特性随着膜厚的增加先提高后降低，
膜厚有一极限值；与阳极氧化相比，膜厚为１５／Ｌｍ，２Ｏ／Ｌｍ试件的平均循环次数分别提高１９．８％和
２４．４ ，膜厚为２５ ｍ试件的平均循环次数降低ｌ４．６ ；膜层较薄时疲劳断裂后断口膜层与基体结合嚼 密，膜层较厚时疲劳断裂后断口膜层部分脱落。
关键词：铝合金；微弧氧化；疲劳特性＃断口膜层
中图分类号：ＴＧ１１５．５＋７ 文献标识码：Ａ
海军装备由于其服役环境的复杂性，在海洋大
气、热照射（紫外线）、湿热交替、化学介质、交变载荷
等联合作用下，其防护层极容易损坏，使基体材料直
接暴露在外，引起腐蚀损伤（如蒙皮脱漆及点蚀、长
桁或翼梁缘条发生剥蚀、紧固件及飞机结构上一些 重要承力构件出现腐蚀疲劳裂纹等），其中以Ｉ Ｙ１２
铝合金腐蚀最为严重，如某型１４ 飞机的１８２处腐 蚀中ＬＹ１２ＣＺ为１５４处，３０ＣｒＭｎＳｉＡ为１８处，Ｉ．Ｃ４ 为１０处［１】。腐蚀造成结构功能失效或使用寿命下
降，因此，对现有装备防护体系提出了更高的要求，
对新技术的需求更为迫切。
１微弧氧化技术及优势
微弧氧化技术是在阳极氧化技术基础上新兴起
的一种表面处理方式ｌ２引，是将Ａ１，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｔａ等
有色金属浸在一定的电解液中，进行高压大电流的 阳极氧化，当阳极氧化电压超过某一值时，表面初始 生成的绝缘氧化膜被击穿，产生微区弧光放电。形成
瞬间的超高温区域，在该区内氧化物或基底金属被
熔融甚至气化，在与电解液的接触反应中，熔融物激
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
稀土对铝合金力学性能影响的研究进展
一、稀土元素对铝合金的强化作用
稀土元素在铝合金中的加入可以通过多种方式对其进行强化。稀土元素可以形成固溶体强化，通过扩散控制晶粒生长和改善晶界结构来提高材料的强度和硬度。稀土元素还可以形成沉淀物强化，通过在晶间扩散产生的沉淀物来提高材料的强度。稀土元素还可以与铝合金中的其他元素形成间隙固溶体，提高合金的塑性和韧性。
二、稀土元素对铝合金的晶粒细化作用
铝合金的晶粒尺寸对其力学性能有着重要影响，晶粒细化可以提高材料的强度和塑性。稀土元素的加入可以有效地细化铝合金的晶粒，进而改善材料的力学性能。这是因为稀土元素可以在晶界处形成固溶体，阻碍晶界的迁移，使得晶界的能量增加，从而抑制晶界的生长，实现晶粒细化。
三、稀土元素对铝合金的耐热性能影响
稀土元素还可以显著地提高铝合金的耐热性能。当合金处于高温环境下时，稀土元素可以形成不同形式的稳定相，阻碍材料的晶粒长大，从而提高了材料的耐热性能。稀土元素的加入还能够减小合金的热膨胀系数，改善合金的热稳定性。
四、稀土元素对铝合金的抗腐蚀性能影响
研究表明，稀土元素的加入可以提高铝合金的抗腐蚀性能。这是因为稀土元素可以在合金中形成致密的氧化膜，阻止金属与外界介质的直接接触，从而减缓了合金的锈蚀速度。稀土元素还可以提高合金表面的亲水性，使得合金更加耐蚀。
五、稀土元素对铝合金可加工性的影响
稀土元素的加入对铝合金的可加工性也有一定的影响。研究发现，适量的稀土元素加入可以使得铝合金的变形抗力降低，塑性增强，从而提高了合金的可加工性。稀土元素的加入还可以改善合金的断裂韧性和疲劳寿命，使得合金更加适合复杂的加工工艺。
结论
稀土元素在铝合金中的加入可以显著改善合金的力学性能，包括强化作用、晶粒细化作用、耐热性能提高、抗腐蚀性能提高以及可加工性的改善。目前的研究还存在一些问题，如稀土元素的最佳添加量、添加顺序、添加方式等方面还需要进一步的研究。未来需要加强对稀土对铝合金力学性能影响的研究，以实现更好地应用和推广。
飞行器设计中的材料疲劳与寿命研究
飞行器设计中的材料疲劳与寿命研究
在现代航空航天领域，飞行器的设计和制造是一项极其复杂且充满挑战的任务。其中，材料的疲劳和寿命问题是至关重要的研究课题，直接关系到飞行器的安全性、可靠性以及经济性。
材料疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后产生裂纹，并逐渐扩展直至断裂的现象。对于飞行器而言，由于其在飞行过程中不断经历着各种复杂的载荷变化，如起飞、降落、飞行中的气流扰动等，材料疲劳问题显得尤为突出。
首先，让我们来了解一下飞行器中常见的材料类型以及它们在疲劳方面的特点。铝合金是飞行器制造中广泛使用的材料之一，具有良好的强度和耐腐蚀性，但在长期的循环载荷作用下容易出现疲劳裂纹。钛合金则以其高强度和耐高温性能受到青睐，但其疲劳性能相对复杂，受到多种因素的影响，如微观组织、表面处理等。复合材料，如碳纤维增强复合材料，具有优异的比强度和比刚度，但在复杂的环境和载荷条件下，其疲劳行为的预测和评估仍存在一定的困难。
在飞行器设计中，准确评估材料的疲劳寿命是至关重要的。目前，有多种方法用于预测材料的疲劳寿命。其中，基于实验数据的经验公式法是较为常用的方法之一。通过对大量实验数据的分析和归纳，得出材料在特定载荷条件下的疲劳寿命与应力水平之间的关系。然而，这种方法往往具有一定的局限性，对于新的材料或复杂的载荷条件，其准确性可能会受到影响。 另外，有限元分析方法在飞行器材料疲劳寿命评估中也发挥着重要作用。通过建立飞行器结构的有限元模型，模拟其在各种载荷条件下的应力分布和变形情况，结合材料的疲劳性能数据，可以预测结构中可能出现疲劳裂纹的位置和疲劳寿命。但有限元分析的准确性很大程度上依赖于模型的准确性和材料参数的精确性。
除了材料本身的性能和疲劳寿命预测方法外，飞行器的结构设计也对材料的疲劳寿命有着重要影响。合理的结构设计可以降低应力集中，减少循环载荷对材料的损伤。例如，采用圆滑的过渡结构可以避免尖锐的拐角处产生过高的应力集中。同时，优化结构的布局和连接方式，也可以有效地分散载荷，提高结构的整体疲劳性能。
6061铝合金疲劳极限
6061铝合金疲劳极限
1. 引言
疲劳极限是指材料在受到交变应力作用下，经过一定次数的循环加载后，发生破坏的最大应力水平。6061铝合金是一种常见的铝合金材料，具有良好的强度和耐腐蚀性能，在航空航天、汽车制造和结构工程等领域得到广泛应用。本文将对6061铝合金的疲劳极限进行全面详细、完整且深入的探讨。
2. 6061铝合金的疲劳特性
2.1 疲劳寿命曲线
疲劳寿命曲线是描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命的曲线图。对于6061铝合金来说，其疲劳寿命曲线呈现出典型的S-N曲线。S-N曲线是通过将应力幅值S与疲劳寿命N进行对数坐标绘制而得到的曲线。在低应力水平下，6061铝合金的疲劳寿命较长，而在高应力水平下，疲劳寿命则显著降低。这是因为在高应力水平下，材料容易发生微观缺陷集聚，导致疲劳破坏。
2.2 疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹扩展是指在疲劳加载下，材料中已有的微小缺陷逐渐扩展，最终导致材料破坏的过程。对于6061铝合金来说，其疲劳裂纹扩展速率较快，这是因为铝合金中的晶界对裂纹扩展起到了催化作用。此外，6061铝合金的疲劳裂纹扩展还受到应力比、环境温度和加载频率等因素的影响。
2.3 疲劳断口形貌
疲劳断口形貌是指材料在疲劳加载下破坏时的断口形态。对于6061铝合金来说，其疲劳断口形貌通常呈现出典型的沙粒状断口。这是因为在疲劳加载下，裂纹扩展引起的应力集中会导致晶界的断裂，从而形成沙粒状断口。
3. 影响6061铝合金疲劳极限的因素
3.1 温度
温度是影响6061铝合金疲劳极限的重要因素之一。在高温环境下，6061铝合金的疲劳极限会显著降低，这是因为高温会引起材料的软化和晶界的松弛，从而导致疲劳破坏的加速。 3.2 应力水平
应力水平是指加载到材料上的应力大小。对于6061铝合金来说，较低的应力水平会延长其疲劳寿命，而较高的应力水平则会显著降低其疲劳寿命。这是因为在高应力水平下，材料中的缺陷更容易集聚，从而加速疲劳破坏的发生。
铬酸阳极化和化学氧化处理对铝合金疲劳性能影响研究
第４９卷第１０期 ２０１１年１０月 上海涂料 ＳＨＡＮＧＨＡＩ Ｃ０ＡＴＩＮＧＳ Ｖｏ１．４９Ｎｏ．１０ ０ｃｔ．２０１１
铬酸阳极化和化学氧化处理
对铝合金疲劳性能影响研究
王邈 （中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，２００２３２）
摘要：通过对铬酸阳极化和化学氧化处理后的铝合金试板进行疲劳试
工艺对铝合金疲劳性能的影响。 关键词：铬酸阳极化；化学氧化处理；疲劳性能
０引言 中图分类号：ＴＱ ６３９．１ 文献标识码：Ａ 验，研究两项表面处理 ＿
文章编号：１００９—１６９６（２０１ １）１０—００１２—０３
铬酸阳极化工艺和化学氧化处理工艺是铝合金
涂漆前常用的表面处理方式，在增强有机涂层与铝
合金基材附着力的同时，具有一定的耐腐蚀能力。对 于铝合金表面处理方式的选择，表面处理工艺对疲
劳性能的影响是一个重要的考核因素。按照通常的
理解，铝合金的铬酸阳极化对疲劳性能的影响要比 化学氧化处理大，但是从未量化过这种影响的差异。 据进行相应的标准化处理，分别获得不同处理状态
的疲劳极限及疲劳寿命曲线，并对其结果进行比 分析，获得两种表面处理方式对典型航空铝合金
料（２０２４铝合金）的疲劳寿命的影响程度。
１试验部分
１．１试样准备 选取２０２４一Ｔ３铝合金试板。试板尺寸按ＡＳＴＭ Ｅ４６６，ＦＩＧ４准备和设计。
采用万能力学实验机对处理后的材料进行拉一 试板Ａ：２０２４一Ｔ３包铝合金，未经表面处理；
拉疲劳实验，获得不同应力水平下的疲劳周次，对数 试板Ｂ：２０２４一Ｔ３包铝合金，铬酸阳极化处理；
［收稿Ｅｔ期］２０１１－０８—３０
ｌ０闫玉霄，沈兰萍．微胶囊缓释性能的理论研究及影响因素分析［Ｊ］． １１梁治齐．微胶囊技术及其应用［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社， 北京纺织，２００２，２３（４）：４８—４９ １９９９：３７１
Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ Ｐｕｒｅ Ａｃｒｙｌｉｃ Ｆｌａｖｏｒ Ｅｍｕｌｓｉｏｎ ＣＵＩ Ｊｉｎ－ｈａｌ，ＴＡＯ Ｙｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋａ ｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，４７５００１，Ｃｈｉｎａ）
219515803_7A65_铝合金喷丸强化表面完整性及疲劳性能
第15卷 第6期 精 密 成 形 工 程 2023年6月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 1
收稿日期：2023–03–16 Received：2023-03-16 基金项目：国家自然科学基金（51975084）；辽宁省自然科学基金（2022–YKLH–04）；中央高校基本科研业务费专项（DUT19LAB16）；辽宁省“兴辽英才计划”（XLYC1902084） Fund：National Natural Science Foundation of China(51975084); Natural Science Foundation of Liaoning Prov-ince(2022-YKLH-04); Basic Research Funds for Central Universities(DUT19LAB16); Supported by "Xingliao Talents Program" of Liaoning Province(XLYC1902084) 作者简介：贺柏涵（1997—），男，硕士生，主要研究方向为铝合金表面强化。 Biography：HE Bai-han (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: aluminum alloy surface strengthening. 通讯作者：付雪松（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向为材料塑性加工与成形控制、使役环境损伤与表面防护。 Corresponding author：FU Xue-song(1984-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: plastic machining and forming control of materials, environmental damage and surface protection. 引文格式：贺柏涵，周文龙，程旭, 等. 7A65铝合金喷丸强化表面完整性及疲劳性能[J]. 精密成形工程, 2023, 15(6): 1-10. HE Bai-han, ZHOU Wen-long, CHENG Xu, et al. Surface Integrity and Fatigue Properties of Shot Peening Strengthened 7A65 Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(6): 1-10. 7A65铝合金喷丸强化表面完整性及疲劳性能
综述-铝合金疲劳及断口分析
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文献综述
（2011级）
设计题目 铝合金疲劳及断口分析
学生姓名 胡伟
学 号 201111514
专业班级 金属材料工程2011级03班
指导教师 黄俊 老师
院系名称 材料科学与工程学院
2015年4月12日 .
. 铝合金疲劳及断口分析
1 绪论
1.1 引言
7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。
现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。
1.2 7系铝合金的发展历史
在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683
6A02铝合金材料的疲劳微裂纹扩展研究
２０１２年６月 第２６卷第２期 南昌航空大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮＣＨＡＮＧ ＨＡＮＧＫＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥＳ）
６Ａ０２铝合金材料的疲劳微裂纹扩展研究
邢 玮 孔光明 李旭东
（１．中国９１８６７部队，浙江义乌３２２０００；２．海军航空工程学院，山东青岛２６６０４１）
［关键词】６Ａ０２铝合金；微裂纹；腐蚀系数；裂纹扩展；腐蚀疲劳 ［摘要］通过对６Ａ０２铝合金试验件进行ＳＥＭ原位观测实验，研究了其微裂纹扩展规律：对无腐蚀条件下西谷弘信裂纹扩展
公式进行了修正；通过引入腐蚀系数来反映腐蚀对６Ａ０２铝合金材料试验件的微裂纹扩展速率的影响，得到了腐蚀系数与腐
蚀年限、加载应力的数学关系。 【中图分类号］ＴＵ５１２．４ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１００１—４９２６【２０１２）０２—００７５—０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｓｍａｌｌ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ６Ａ０２ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ
ＸＩＮＧ Ｗｅｉ ＫＯＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｒｕｉｎｇ ＬＩ Ｘｕ—ｄｏｎｇ
（１．Ｎａｖａｌ ９１８６７ Ｕｎｉｔ，Ｙｉｗｕ，ＺｈｅＪｉａｎｇ ３２２０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＮａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５６０４１，Ｃｈｉｎａ）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：６Ａ０２ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｓｍａｌｌ ｃｒａｃｋ；ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｆａｃｔｏｒ；ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ＳＥＭ ｉｎ—ｓｉｔｕ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ６Ａ０２ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｔｅｓｔ ｐｉｅｃｅｓ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｃｒａｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｌａｗ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ Ｔｈｅ Ｎｉｓｉｔａｎｉ
6061-T6 铝合金阶段性疲劳损伤试验研究
JournalofMechanicalStrength2021,43(4):821-827DOI:10.16579/j.issn.1001.9669.2021.04.009
∗20200308收到初稿,20200417收到修改稿。上海市自然科学基金项目(18ZR1416500),上海市人才发展资金资助计划(2018053),上海市曙光计划(19SG51)资助。∗∗耿美玲,女,1994年12月生,江苏省射阳县人,汉族,上海工程技术大学在读硕士研究生,研究方向为汽车零部件疲劳损伤及轻量化。∗∗∗杨亚莉,女,1982年7月生,新疆省乌苏人,汉族,上海工程技术大学副教授,在读博士,硕士生导师,研究方向为汽车零部件疲劳损伤及金属断裂机理。6061-T6铝合金阶段性疲劳损伤试验研究∗RESEARCHONSTAGEDFATIGUEDAMAGEOFALUMINUMALLOY6061-T6耿美玲∗∗ 杨亚莉∗∗∗ 陈 浩 王以鹏 李永芳(上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海201600)GENGMeiLing YANGYaLi CHENHao WANGYiPeng LIYongFang(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201600,China)摘要 开展车用铝合金疲劳损伤检测与评估,对汽车轻量化材料的应用具有重要的理论意义和工程价值。基于CT损伤检测和缺陷重构技术,开展了6061-T6铝合金阶段性疲劳损伤特性研究。首先,对车用铝合金材料进行静拉伸试验和阶段性疲劳循环加载试验,得到了不同阶段的疲劳损伤试样。接着,利用基于X-ray的CT损伤检测,实现损伤试样内部的孔洞和裂纹等缺陷信息的获取,在AVIZO可视化软件中进行了缺陷特征的三维重构,研究了不同阶段试样损伤缺陷连续性特征。最后,根据不同阶段的疲劳损伤试样的损伤程度,分析了准确表征损伤程度的相关损伤演化参量的变化特性,包括孔隙率、损伤体积分数等。综合各损伤表征参量随循环次数的变化分析,损伤体积分数作为损伤参量不仅决定损伤占比的多少,对损伤尺寸也存在直接影响,更能反映损伤的连续性变化,从而能够进行合理有效的缺陷演化过程分析。关键词 铝合金6061-T6 阶段性疲劳损伤 CT检测 AVIZO 缺陷三维重构中图分类号 U465Abstract Itisofgreattheoreticalsignificanceandengineeringvaluetocarryoutfatiguedamagedetectionandevaluationofaluminumalloyforapplicationofautomobilelightweightmaterials.Inthispaper,theperiodicfatiguedamagecharacteristicsof6061-T6aluminumalloywerestudiedbasedonCTdamagedetectionanddefectreconstructiontechnology.Firstly,fatiguedamagesamplesof6061-T6aluminumalloyatdifferentstagesareobtainedbystatictensiletestandperiodicfatiguetest.Secondly,defectinformationofholesandcracksinthedamagedsamplesareachievedthroughX-rayCTscanning,and3DreconstructionofdefectfeaturesiscarriedoutbyAVIZOvisualizationsoftware,andcontinuityfeaturesofthedamagedefectsindifferentstagesarestudied.Finally,thechangecharacteristicsofdamageevolutionparameters,includingporosity,damagevolumefraction,areanalyzedaccordingtodamagedegreeoffatiguedamagesamplesindifferentstages.Basedontheanalysisofchangeofdamagecharacterizationparameterswiththenumberofcycles,thedamagevolumefraction,asadamageparameter,determinestheproportionofdamage,andhasadirectimpactonthesizeofdamage,whichcanbetterreflectthecontinuouschangeofdamage,soastoconductareasonableandeffectiveanalysisofdefectevolutionprocess.Keywords 6061-T6aluminumalloy;Periodicfatiguedamage;CTscanning;AVIZO;3DdefectreconstructionCorrespondingauthor:YANGYaLi,Email:carolyn71@TheprojectsupportedbytheNaturalScienceFoundationofShanghai(No.18ZR1416500),andtheDevelopmentFundforShanghaiTalents(No.2018053),andtheShanghaiEducationDevelopmentFoundationandShanghaiMunicipalEducationCommission(No.19SG51).Manuscriptreceived20200308,inrevisedform20200417. 引言随着轻量化的发展,铝及其合金材料凭借其良好的可塑性、易加工等优良的综合性能在汽车工业得到了日益广泛的应用。探测铝合金材料内部缺陷,找到可表征在交变载荷下疲劳变化过程的参数特征量以及Copyright©博看网 . All Rights Reserved. 822 机 械 强 度2021年 损伤断口的微观特性[1-2],是实现铝合金加工优化以及疲劳寿命评估的关键内容。构件长期在复杂工况下的累积损伤是一个连续的过程,但损伤缺陷的形成往往具有分散性[3],且对不同的材料和结构而言,其破坏形式和具体演化规律也有所差异,因此获取材料内部的损伤缺陷并将其可视化呈现,是研究损伤演化过程和机理的必然要求。本文开展铝合金材料阶段性疲劳损伤特性研究,获取铝合金在阶段性疲劳加载过程中不同阶段的损伤缺陷特性,通过X-Ray,CT扫描获取试件内部缺陷特性,在AVIZO中实现缺陷特征的三维重构,得到相应损伤模型,进而研究材料随循环载荷的损伤变化规律,从而获得描述材料损伤的最优缺陷表征参数,为损伤演化机理研究和剩余寿命预测奠定基础。2 试验设计与测量方法本次试验总体以阶段性疲劳试验为主,以静拉伸为辅。在室温下通过静态拉伸试验来确定材料的抗拉强度、弹性模量、断裂强度及延伸率等基本力学性能[4-5]后,将获得的强度极限值和塑性变形指标作为分组分阶段疲劳试验的基本参数进行有效的疲劳循环试验。将试验完成后的试件通过X-Ray,CT扫描获取内部损伤缺陷,在缺陷特性三维重构的基础上,根据不同阶段损伤程度的差异分析疲劳损伤过程的变化规律,从而确定相关损伤程度表征参量。2.1 试件制备试验材料为6061-T6铝合金。试件采用杠铃式平板设计,根据美国试验材料学会(ASTME8/E8M-15a)标准和《金属材料拉伸试验室温试验方法》(GB/T228.1-2010)以及《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》(GBT3075-2008)等国家标准并符合试验机的情况下进行制备。同时,为了减少误差,在试样制备过程中采用同轴切削加工和抛光处理[6],以确保试件表面的光滑度,样件的尺寸及三维效果如图1所示。2.2 静拉伸试验静态力学试验为轴向拉伸试验,根据国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228.1-2010)在WSM电子万能试验机上进行试验,采用恒定位移速率控制方式,电子以速率V=0.2mm/min进行匀速拉伸,设置了3组试验,每组3个试件,在没有明显的试验误差下,记录相关参数平均值,获得铝合金材料的抗拉强度、抗拉屈服强度、弹性模量、断裂强度及延伸率等基本力学性能(表1)。2.3 阶段性疲劳加载试验在加载过程中的疲劳损伤是其断裂失效的前期微观表现,根据材料在不同阶段所产生的损伤程度不同,