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背景简介

铝合金，如以 Al-Mg-Zn 为基的7075合金，凭借其高强度、轻量化与耐腐蚀性的优异结合，被广泛应用于航空航天、汽车及其他高强度应用领域。作为铝合金体系中最重要且研究最为深入的组别之一，AlMgZn-7xxx系列合金长期受到行业关注。应用于Al-Zn-Mg合金的不同热处理参数对其析出模式有显著影响。此外，析出相的性质、数量和尺寸对合金的机械性能也有很大影响。目前，研究工作主要集中在通过热处理和冷轧控制析出相，以提高抗裂纹扩展能力。近年来，随着航空航天在全球的重要性日益提升，该行业的竞争也愈发激烈，这对飞机和航天器结构部件的精度和完整性提出了更高的要求。因此，提高航空航天部件的抗疲劳性成为一个关键目标。本研究工作具有以下创新性：（1）探索了固溶热处理 + 峰值时效 + 90% 冷轧 7075 铝合金的疲劳裂纹扩展速率行为和条件断裂韧性（J_Q），并与电子背散射衍射分析相关联；（2）研究了疲劳辉纹长度与疲劳裂纹扩展的相关性；（3）进行了最大载荷作用（P_max）前后（J_Q测试后）断裂试样的断口形貌研究；（4）考察了不同样品条件下的疲劳裂纹扩展速率和J_Q，包括固溶热处理、固溶热处理 + 峰值时效、固溶热处理 + 45% 冷轧、固溶热处理 + 60% 温轧和固溶热处理 + 峰值时效 + 90% 冷轧状态。

成果介绍

（1）通过多种表征手段分析了不同处理条件下 Al-Mg-Zn 合金的微观结构演变。XRD分析结果表明，SHT + PA + 90% CR样品的高原子密度晶面（111）衍射峰显著变宽，位错密度高达 11.1×10¹⁴ m^-2，为三种变形样品中最高（SHT + 45% CR样品为2.4×10¹⁴ m^-2，SHT + 60% WR样品为 1.9×10¹⁴ m^-2）。此外，在SHT + PA + 90% CR样品中观察到η″(Mg₂Zn₃)析出相峰，证实时效与冷轧协同促进析出相形成，如图1所示。OM结果表明，SHT样品晶粒粗大（51 μm），晶界无弥散相，呈现原始铸态结构。SHT + PA样品晶界析出弥散相，晶粒细化至 21 μm，表现出时效强化效果。SHT + 45% CR样品保留原始晶粒结构，少量应变积累，>10 μm晶粒占比30%。SHT + 60% WR样品晶粒破碎显著，形成大量< 10μm的再结晶晶粒（面积分数 10%），动态再结晶占主导。SHT + PA + 90% CR样品应变积累最大，部分晶粒破碎为纳米-微米级亚晶粒，>100 μm晶粒占比16%，表现出强烈的加工硬化现象，如图2所示。在TEM中观察到，SHT + PA样品中有纳米级棒状η″析出相（平均长度1.8 nm，宽度1 nm），其尺寸小于临界直径（1.95 nm），通过剪切机制阻碍位错运动，实现沉淀强化。SAED图谱验证了η″(Mg₂Zn₃)相的超晶格结构，确认析出相的晶体学特征，如图3所示。EBSD结果表明，与SHT + 60% WR 和 SHT + 45% CR样品相比，SHT + PA + 90% CR样品的变形程度更大，如图4所示。图5的结果表明SHT + 60% WR样品中形成的大角度晶界（对应稳定晶粒）比 SHT + PA + 90% CR样品更多，而SHT + 45% CR样品中最少。图6结果说明SHT + 60% WR样品中具有大角度晶界的再结晶晶粒数量最多，SHT + 45 % CR样品最少，SHT + PA + 90% CR样品数量居中。图7结果表明SHT + 45% CR 样品中的亚晶粒数量最少，SHT + PA + 90% CR 样品中最多，SHT + 60% WR 样品数量居中。在 SHT + PA + 90% CR 样品中形成了尺寸非常小（纳米级）的亚晶粒，而在 SHT + 60% WR 样品中发现的亚晶粒尺寸较大（微米级）。图8结果表明SHT + 45% CR 样品呈现出强烈的黄铜织构（{110}<112>），SHT + 60% WR 样品呈现出强烈的旋转立方织构（{001}<110>），而经 90% 冷轧处理的样品则呈现出强烈的黄铜（{110}<112>）、铜（{112}<111>）和 S（{123}<634>）织构。

图1 SHT + 45% CR、SHT + 60% WR和SHT + PA + 90% CR样品的XRD峰。

图2 （a）固溶热处理（sht）样品的光学图像，（b）低倍放大下的sht + SHT+PA样品，（c）低放大倍率下的SHT+SHT+PA样品，（d）SHT + 45% CR样品的IQ图，（e）SHT + 60% WR样品的IQ图，（f）SHT + PA + 90% CR样品的IQ图，（g、h、i）分别为SHT + 45% CR、SHT + 60% WR、SHT + PA + 90% CR样品的晶粒尺寸条形图。

图3 （a）SHT + PA样品的低倍透射电子显微镜（TEM）图像，（b）SHT + PA样品的高倍TEM图像，（c）为（b）图的选区电子衍射（SAED）图谱

图4 （a）SHT + 45% CR、（b）SHT + 60% WR和（c）SHT + PA + 90% CR样品的IQ图

图5 （a）SHT + 45% CR、（b）SHT + 60% WR和（c）SHT + PA + 90% CR样品的IQ图

图6 采用“GOS <1°且极限取向差>15°”的标准对IPF图进行分区，以确定（a）SHT + 45% CR、（b）SHT + 60% WR、(c) SHT + PA + 90% CR、（d，e，f）分别为a、b、c的放大倍数较高的图像

图7 为了确定亚晶粒，采用“晶粒取向差（GOS）>2°且2°<极限取向差<15°”的标准IPF图进行分区，（a）为SHT + 45% CR样品，（b）为SHT + 60% WR样品，（c）为SHT + PA + 90% CR样品

图8 （a）SHT + 45% CR、（b）SHT + 60% WR和（c）SHT + PA + 90% CR样品的织构图像

（2）通过维氏硬度、拉伸、疲劳裂纹扩展速率（FCGR）和J_Q测试，系统分析了不同工艺处理下Al-Mg-Zn合金的力学性能。维氏硬度测试结果表明，SHT + PA 样品硬度为195 HV，依赖沉淀强化。SHT + 45% CR（177 HV）和 SHT + 60% WR（170 HV）硬度提升，源于加工硬化（位错增殖），但SHT + 60% WR因部分再结晶略低于SHT + 45% CR。拉伸测试结果表明，冷轧样品（45% CR：350 MPa）强度高于温轧（60% WR：285 MPa），因冷轧位错密度更高，回复过程更少。90% CR样品伸长率最低（6%），因高度变形导致亚晶粒细化，位错运动阻力大，延展性下降。疲劳裂纹扩展速率（FCGR）测试结果表明，90% CR样品的裂纹萌生阈值（ΔK）最高。通过Paris公式可知，90% CR样品系数C值最小，亚晶粒和析出相显著阻碍裂纹，疲劳寿命最长。J_Q测试结果表明，时效后的90% CR样品J_Q最高，得益于高位错密度、亚晶粒和析出相协同增强裂纹扩展阻力。

（3）通过扫描电子显微镜（SEM）分析了不同处理条件下 Al-Mg-Zn 合金的断口形貌，揭示了疲劳裂纹扩展行为与微观结构的关联。在裂纹萌生区，裂纹多起源于应力集中区（如晶界、析出相或变形带），SHT 样品可见明显的PSBs形成的侵入 / 挤出结构（图10b，图11b），而时效或冷轧样品因强化作用（沉淀 / 晶界强化），PSBs 形成受限，萌生区较小（图12b，图13b）。在稳定扩展区，疲劳条纹的条纹间距与裂纹扩展速率正相关，SHT 和 60% CR样品条纹宽（图14a和d），90% CR样品条纹细密（图14e）。SHT（图16a）和 60% CR（图16d）样品以韧窝为主，穿晶或沿晶韧窝断裂。SHT + PA（图16b）和 45% CR（图16c）样品含韧窝与小平面（准解理）。90% CR（图16e）样品出现河流状花样，显示亚晶界解理断裂。在不稳定扩展区，条纹间距显著增宽，断裂表面粗糙，SHT（图15a）和 60% WR（图15d）样品以大韧窝为主，90% CR（图16e）样品可见密集小平面和河流状花样，脆性特征明显。

图9 SHT、SHT + PA、SHT + 45 % CR、SHT + 60 % WR以及SHT + PA + 90 % CR样品的预裂纹和最终断裂情况

图10 （a）SHT样品预裂纹区域的全貌，（b）为裂纹萌生区、（c）为裂纹扩展区、（d）为不稳定裂纹扩展区这三个区域的情况

图11（a）SHT + PA样品预裂纹区域的整体视图，以及（b）裂纹萌生区、（c）裂纹扩展区、（d）不稳定裂纹扩展区三个区域的情况

图12 （a）SHT）+45% CR样品预裂纹区域的整体视图，以及（b）裂纹萌生区、（c）裂纹扩展区、（d）不稳定裂纹扩展区这三个区域的情况

图13 （a）SHT+ PA+90% CR样品预裂纹区域的整体视图，以及（b）裂纹萌生区、（c）裂纹扩展区、（d）不稳定裂纹扩展区这三个区域的情况

图14 （a）SHT、（b）SHT + PA、（c）SHT + 45% CR、（d）SHT + 60% WR以及（e）SHT + PA + 90% CR样品的稳定裂纹扩展区域

图15 （a）SHT、（b）SHT + PA、（c）SHT + 45% CR、（d）SHT + 60% WR以及（e）SHT + PA + 90% CR样品的不稳定裂纹扩展区域

图16 分别为（a）SHT、（b）SHT + PA、（c）SHT + 45% CR、（d）SHT + 60% WR以及（e）SHT + PA + 90% CR样品在达到P_max之后，其CT样品最终断裂区域的断口形貌图像

致谢

作者感谢来自科学与工程研究委员会（SERB）科研资助项目SRG/2022/000978的资金支持。本文第一作者：Nidhi Chaubey（Indian Institute of Technology），本文通讯作者：Nikhil Kumar（Indian Institute of Technology）。

本期小编 郭子键（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

董乃健（发布）