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背景简介

铝合金具有较高的强度重量比以及优异的耐腐蚀性和机械性能，在汽车、建筑和航空航天工业领域具有广泛应用。然而，初级铝使用需求的增加受到高能源成本和温室气体排放的限制，因此，有必要制定一套方案，使再生铝能够在制造业中得到适当的利用。实现这一目标的主要挑战是废铝中存在不需要的杂质元素。杂质元素不仅对单调拉伸性能有害，而且对疲劳性能有害。然而，在目前的情况下，关于杂质对再生铝合金疲劳行为影响的信息非常有限。需要对这些杂质如何影响再生铝合金的疲劳行为进行彻底的了解。

现有的文献并没有充分讨论疲劳失效机制如何随着杂质含量的增加而变化，缺乏详细的断口学研究，以及与杂质含量增加相关的微结构变化（滑移特性的变化）对疲劳寿命的确切作用。因此需要对再生铝合金的高周疲劳行为进行详细的研究。在本案例中，Al 6082被专门设计为具有不同的废料含量，因此它可以模拟从消耗后废料生产的实际回收合金。选择了三种变体，分别命名为GA1、GA2和GA3，其中Fe、Cu、Zn等杂质含量逐渐增加。由这些杂质形成的金属间化合物对疲劳寿命的影响，更确切地说是对疲劳裂纹萌生的影响，通过将疲劳数据与断口表面调查和显微组织评价相结合来评估。金属间化合物引起的显微组织变化会随着杂质含量的增加而改变，从而导致不同合金变体的疲劳性能随外加应力的变化而不同。本研究对上述方面进行了详细的研究，旨在为面向可回收性的合金设计提供路线图，其中允许/最大废料含量可以根据疲劳性能进行优化。

成果介绍

（1）初始微观结构—图1显示了最终挤压材料的代表性显微组织（合金变体GA3）。在边缘（表面）观察到具有较大晶粒的再结晶层，在中心有纤维区（挤压区）。合金变体GA1表现出类似的显微组织特征，从边缘和中心拍摄的具有代表性的显微结构图像显示存在金属间初级颗粒（图中箭头标记）。

图1 合金变体GA3的显微组织显示了整个轮廓的整体视图-边缘的再结晶区和中心的挤压区。从边缘和中心区域的放大视图显示存在金属间初级颗粒（用黑色箭头标记） 

（2）晶粒尺寸分布—合金变体在边缘（再结晶区）和中心（挤压区）的晶粒尺寸分布如图2(a)-(b)所示。采用TSL OIMTM软件测量晶粒尺寸分布和平均晶粒尺寸。与中心相比，在边缘处的平均晶粒尺寸要高得多（见表3(a)）。使用Image J软件计算粒径分布，最小粒径为0.4 um2，如图3所示。所有合金类型，相应的平均粒径在中心比边缘略高（见表2(b)）。

图2 合金变体GA1和GA3的晶粒尺寸分布，(a)边缘；(b)中心

图3 合金变体的粒度分布显示初生颗粒，(a) GA1；(b) GA3

（3）疲劳性能—图4 (a-c)为根据疲劳试验结果确定的S-N曲线。从GA1到GA3，屈服强度(YS)和极限抗拉强度(UTS)都略有增加，但延性略有下降（GA1为12%，GA3为11%）。因此，在疲劳试验中使用的应力保持低于YS对各自的变体。考虑到疲劳数据的统计性质，进行了概率分析，概率分析采用对数正态分布的疲劳数据遵循标准ISO 12107的指导方针。与GA1相比，合金变体GA2和GA3的疲劳极限较低（降低20%）。为了更清楚地了解合金变体对疲劳行为的影响以及合金变体随应力变化的变化规律，对疲劳试验结果进行了对比，如图5所示。50%概率线表明，GA1的疲劳性能优于GA2/GA3, GA2/GA3的统计疲劳寿命更高。在较低的应力值下，GA1与GA2/GA3的统计疲劳寿命差异更大。这最终导致GA1的疲劳极限高于GA2/GA3(见图4和图5)。

图4 基于HCF检验的(a) GA1；(b) GA2；(c)GA3对应的S-N曲线显示不同的概率线(10%、50%和90%)，R = 0.1

图5 基于50%概率线的比较S-N曲线，R = 0.1

（4）循环应变变化—图6为疲劳循环下的应变为平均应变(%)随循环次数的变化曲线。由于GA2和GA3的疲劳性能几乎相似（见图5），因此在图6中只使用GA1和GA3两个变体。然而，即使在HCF下，也可以观察到少量的微塑性，导致平均应变随循环的变化很小。这种塑性变形在微裂纹产生时高度局部化，导致平均应变在循环结束时发生显著变化。

图6 平均应变(合金变体GA1和GA3之间)随疲劳寿命%的变化，(a)应力水平:150、180和270 MPa；(b)显示应力水平150和180 MPa的放大视图

（5）合金变体的影响—在270 MPa下，GA1和GA3的循环软化性质相似，但GA3的循环应变曲线略高于GA1。这与GA1(65159)在上述应力水平下比GA3(45114)具有更高的疲劳寿命有关。值得注意的是，尽管GA1在270 MPa下的统计疲劳寿命高于GA3，但在该应力水平下的散射水平相当高，导致GA1的疲劳寿命低于GA3。在较低的应力（如180和150 MPa）下，GA3的循环应变高于GA1，尽管两者都表现出循环硬化后循环饱和的趋势。

图7 在应力-寿命曲线上叠加了断裂和损伤机理图，描绘了不同应力水平和合金类型的HCF破坏机制。T:穿晶，I:沿晶

致谢

这项工作由铝绿色平台AluGreen(合同编号328843)资助。本文第一作者：Aritra Sarkar（Norwegian University of Science and Technology）；通讯作者：Aritra Sarkar（Norwegian University of Science and Technology）。

本期小编 郭子键（整理）

闵     琳（校对）

舒     阳（审核）

王永杰（发布）