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引文格式：
Avateffazeli M, Shakil S I, Behvar A, et al. Very high cycle fatigue of laser powder bed fused Al-Cu-Mg-Ag-TiB2 (A20X) Alloy: Stress relief and aging treatments[J]. International Journal of Fatigue, 2024: 108281.
Avateffazeli, Maryam, et al. "Very high cycle fatigue of laser powder bed fused Al-Cu-Mg-Ag-TiB2 (A20X) Alloy: Stress relief and aging treatments." International Journal of Fatigue (2024): 108281.
Avateffazeli, M., Shakil, S. I., Behvar, A., Attallah, M. M., Simsiriwong, J., Tridello, A., ... & Haghshenas, M. (2024). Very high cycle fatigue of laser powder bed fused Al-Cu-Mg-Ag-TiB2 (A20X) Alloy: Stress relief and aging treatments. International Journal of Fatigue, 108281.
背景简介
A20X合金，也被称为Al-Cu-Mg-Ag-TiB2，具有较好的可铸性。这是因为其所含Mg和Ag成分改善了对时效热处理的响应，产生大量析出相并增强了合金的强度。TiB2颗粒限制晶粒生长并充当晶粒成核的新位点，起到晶粒细化剂的作用，从而进一步提高了合金的强度。尽管A20X合金中包含了昂贵的合金元素如Ag、Ti和B，但其主要为高要求的工况所设计。通过基于激光的增材制造（AM）方法可以制造具有复杂形状和结构的部件，这一定程度上抵消了部分合金元素的成本费用，使得A20X合金成为有吸引力的选择。
已有的研究已经发现通过激光粉末床熔合（LPBF）制造的A20X合金产生了独特的微观结构，其特征是精细的等轴晶粒，使得材料同时具有较好的强度和延展性。但是到目前为止，超高周疲劳 (VHCF)主要集中在各种铝合金（如AlSi12和AlSi10Mg）以及其他材料（包括Ti6Al4V、IN718 和316L不锈钢），而关于AM A20X合金的VHCF特性的研究还没有，因此这项研究成为对该特定材料的VHCF响应的开创性探索。鉴于A20X合金在航空航天和其他高性能领域的重要作用，这项研究计划致力于丰富我们对VHCF领域疲劳寿命的理解，主要强调缺陷对疲劳寿命、断裂模式和失效机制的影响。
成果介绍
（1）图1为应力释放组（SR）和时效处理组（T7）A20X试样的S-N曲线图。如图1所示，两组试样都呈现疲劳寿命随应力幅的减小而增加的特征。其中时效处理组（T7）A20X试样在超过107周次的疲劳后，疲劳寿命明显高于SR试样。同样值得注意的是，与SR试样相比，T7试样的疲劳数据显示出更大的分散性。
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图1 A20X的S-N曲线：应力释放组（SR）和时效处理组（T7）
（2）研究发现，当疲劳寿命接近109周次时，无论热处理条件如何，内部裂纹萌生和“鱼眼”特征的形成是主要的失效模式。如图2和图3所示，分别为SR试样和T7试样在9.51×108和7.31×108周次下失效的断口形貌。研究发现两组试样都以“鱼眼”的特征被观察到断裂的萌生和扩展，裂纹萌生位置如图2b和图3b所示。如图2b所示，增材制造零件典型的内部缺陷引发扁平和圆形裂纹，在靠近缺陷的光学亮区（Bright Area）附近，可以观察到另一个缺陷。图2d和图3d显示了瞬断区的韧窝特征，结合EDS能谱分析，认为韧窝内存在球形的富钛颗粒。
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图2 SR样品在110 MPa下的疲劳失效断口形貌，疲劳寿命为9.51×108：(a) 断裂面整体，(b) 鱼眼，(c) 刻面，(d) 瞬断区的韧窝，(e) 鱼眼区域的EDS分析
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图3 T7样品在136 MPa下的疲劳失效断口形貌，疲劳寿命为7.31×108：(a) 断裂面整体，(b) 鱼眼，(c) 刻面，(d) 瞬断区的韧窝，(e) 鱼眼区域的EDS分析
（3）图4为A20X材料在SR和T7条件下的“鱼眼”形成过程以及缺陷/位错与微观结构特征（例如晶界、析出物、TiB2）之间相互作用的示意图。如图4所示，鱼眼区域（即亮区或局部塑性诱导的细晶区域）的形成是由于整个疲劳过程中缺陷周围位错的移动、堆积和亚晶粒的形成。疲劳过程中首先在关键缺陷周围产生较大的局部塑性变形（例如微观结构缺陷或LPBF引起的体积缺陷，非金属夹杂物、孔隙率和未熔合等）。随着变形的进一步进行，由于缺陷和基体之间的变形不相容性（例如不同的晶体结构、刚度和热膨胀系数），亚晶粒和相关的小角度晶界进一步形成称为细晶粒，而高角度晶界在“鱼眼”中心的缺陷周围形成称为细晶区域（FGA）的独特区域。缺陷的类型（微观结构缺陷和 LPBF 引起的体积缺陷，例如未熔合和夹杂物）、尺寸、形态和位置（表面上、表面附近或基体中的孔）特征将会诱导FGA的形成。
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图4 SR和T7热处理A20X中裂纹萌生和扩展过程的示意图
（4）与内部裂纹萌生相关的总疲劳寿命（Nf）可分为三个阶段：（i）微裂纹萌生（NFGA），（ii）微裂纹的稳定扩展导致鱼眼形成 (NFGA→fisheye)，以及 (iii) 宏观裂纹的不稳定扩展最终导致断裂 (Nunstable)。考虑到Nunstable仅占整个疲劳寿命的一小部分，Nf可以通过NFGA和NFGA→fisheye来进行评估。微裂纹扩展速度（da/dN）可以使用Paris-Hertzberg定律（式1.1、式1.2）获得，其中b代表伯格矢量，E代表杨氏模量，ΔK为有效应力强度因子，a为裂纹尺寸。通过式1.2计算裂纹面积的平方根带入式1.1后用特征长度aFGA对裂纹长度a进行归一化，针对裂纹稳定扩展阶段进行简化，获得式1.3。其中ΔKFGA表示FGA处的有效应力强度因子，相关裂纹长度为 aFGA。对于微裂纹的稳定扩展，通过式1.3从aFGA到afisheye的积分并简化得到等式1.4。本研究通过SEM的断口分析测量aFGA和afisheye后，可以预测微裂纹的稳定扩展导致鱼眼形成的寿命周次NFGA→fisheye，其占比不足整体疲劳寿命的1%。
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（5）本研究还使用统计方法对试验数据进行了分析，以解释较大的试验结果分散性。试验数据根据测试类型（传统疲劳和超声疲劳）以及所应用的热处理进行了划分，通过考虑传统测试和超声疲劳测试的失效试样，进行了方差分析，以评估该测试类型所采用的热处理的效果，如图5所示为109周次对应的疲劳强度平均值的90%区间图，热处理显着影响常规试验样品的疲劳响应，热处理对疲劳响应有显着影响，P值接近0且置信区间不重叠，T7热处理条件可以增强疲劳强度。本研究中进行的分析已证实，对于所研究的增材制造零件来说，研究热处理和测试频率的影响是很困难的。频率效应受到微观结构和位错运动的强烈影响，但频率对疲劳响应影响的原因在文献中仍然是一个悬而未决的问题。
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图5 通过超声疲劳试验测试的样品109周次对应的疲劳强度平均值的90%区间图
致谢
本文通讯作者：Meysam Haghshenas（Fatigue, Fracture, and Failure Laboratory (F3L), Department of Mechanical, Industrial, and Manufacturing Engineering (MIME), the University of Toledo, OH 43606, USA）。
本期小编：王永杰（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
王永杰（发布）
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