Borrego L P, Jesus J S, Branco R, et al. Mechanisms of fatigue crack growth in 7050-T6 aluminium alloy[J]. International Journal of Fatigue, 2025: 108830.
Borrego, L. P., et al. "Mechanisms of fatigue crack growth in 7050-T6 aluminium alloy." International Journal of Fatigue (2025): 108830.
Borrego, L. P., Jesus, J. S., Branco, R., Ferreira, J. A. M., Antunes, F. V., Neto, D. M., & Sérgio, E. R. (2025). Mechanisms of fatigue crack growth in 7050-T6 aluminium alloy. International Journal of Fatigue, 108830.
背景简介
7050-T6铝合金凭借其高强度、良好的耐腐蚀性以及优异的可加工性，在现代工业中备受关注。尤其是在航空航天领域，其被广泛用于关键结构部件的制造中。然而，疲劳裂纹的萌生与扩展是导致铝合金结构失效的主要原因之一。在实际工况下，铝合金结构往往承受着复杂的循环载荷，这使得裂纹扩展问题变得更加复杂。准确理解裂纹扩展机制，有助于开发更有效的疲劳寿命预测模型，从而提高结构的安全性和经济性。
成果介绍
（1）图1a展示了应力比R = 0.05时的da/dN-ΔK曲线，呈现出多线性特征，在Paris区域有三个不同的扩展线区域，分别命名为IIa、IIb和IIc。在区域IIa（ΔK低于约5.5 MPa·m1/2），Paris定律指数m = 1.48；在区域IIb（ΔK在5.5 MPa·m1/2到9 MPa·m1/2之间），m = 5.86；在区域IIc（ΔK高于9 MPa·m1/2），m = 2.70。这表明在区域IIa的损伤机制对ΔK的依赖性低于区域IIc。图1b所示的不同应力比下da/dN-ΔK曲线表明，随着应力比R值的增大，裂纹扩展速率da/dN呈现整体上升趋势。当裂纹扩展速率高于2×10-4 mm/cycle时（高扩展速率区域），R = 0.05与R = 0.3工况下的曲线差异逐渐减小；而在低扩展速率区域，两者的速率差异随ΔK增加而扩大。而在对称循环载荷（R = -1）条件下，应力强度因子范围ΔK对裂纹扩展驱动力的敏感性显著增强。
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图1 FCG率（da/dN）随应力强度因子范围（ΔK）变化曲线：（a）应力比 R = 0.05，（b）不同应力比的影响
（2）图2a展示了Kop/Kmax随Kmax变化情况，R = 0.5时未观察到裂纹闭合。总体上，Kop/Kmax随Kmax增加而降低，直至Kop = Kmin，之后Reff = Kop/Kmax稳定等于应力比R。图2b通过绘制载荷比参数U与ΔK关系，表明闭合响应在高ΔK值时稳定，低ΔK值时U随ΔK急剧降低，归因于近阈值区域氧化诱导和粗糙度诱导裂纹闭合占主导。尤其在低ΔK值时，R增加会使U增加。
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图2 裂纹闭合数据：（a）Kop/Kmax与Kmax，（b）U与ΔK
（3）图3展示了区域IIa的SEM图像，裂纹沿多个不同高度的平台（标记为A）扩展，平台间通过壁状结构（标记为B）相连，主要表现出穿晶脆性疲劳扩展特征，且在第二相颗粒周围形成大量微孔洞（标记为C）。此外，清晰可见解理台阶（标记为D）表明区域IIa主导扩展机制为解理。
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图3 区域IIa中裂纹表面的SEM图像：（a）R = 0.05，ΔK1= 4.8 MPa·m1/2，da/dN = 5.84 × 10-6 mm/cycle;（b）与前一张图片相同，但放大倍数更大，裂纹从下到上扩展
（4）图4对比了试验结果与数值预测结果。R = 0.05和R = 0.3时，数值模型在da/dN-ΔK曲线的上段（B-C和C'-D'）与试验结果吻合良好，表明假设循环塑性变形占主导的数值模型能有效预测ΔK较大时的裂纹扩展行为。然而，在A-B和A'-C'段，数值预测高于试验结果，说明在这些区域循环塑性变形并非主导损伤机制。
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图4 数值预测与试验结果的比较：（a）R = 0.05 和（b）R = 0.3
7050-T6铝合金的疲劳裂纹扩展行为在Paris定律区域呈现出多线性特征，与损伤机制随应力强度因子范围变化有关。低ΔK值时以解理机制为主，高ΔK值时以塑性条纹机制为主。应力比对疲劳裂纹扩展速率有显著影响，da/dN随R增加而上升。裂纹闭合现象对疲劳裂纹扩展速率影响显著，考虑裂纹闭合后，不同应力比下的da/dN-ΔKeff曲线趋于一致，表明ΔKeff是控制裂纹扩展的关键参数。
数值模拟结果表明，循环塑性变形在较大ΔK值时是主导损伤机制，但在低ΔK值时，当循环塑性区域尺寸小于晶粒尺寸时，循环塑性变形不再占主导，需采用其他非基于塑性变形的模型来描述该区域的裂纹扩展行为。
致谢
衷心感谢葡萄牙科学技术基金会（FCT）在UIDB/00285/2020和LA/P/0112/2020项目中提供的财政支持。本研究由 FACI-2023-MPR-04-014323 项目资助，该项目由欧洲基金支持。本研究还得到了项目 MATEL 的资助，项目编号为 COMPETE2030-FEDER-00587200，由葡萄牙2030、Compete2030和欧洲区域发展基金（FEDER）支持。Edmundo Sérgio感谢FCT提供的编号为2022.11438.BD的博士奖学金。本文第一作者：Borrego, L. P. (University of Coimbra)，本文通讯作者Sergio, E. R. (University of Coimbra)。
本期小编 刘尧风（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
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