Shakil S I, Bednarczyk W, Gajewska M, et al. Microstructure and very high cycle fatigue characteristics of powder bed fused - laser beam (PBF-LB) scandium-free Al-Mg-Zr alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2025, 930: 148177.
Shakil, Shawkat I., et al. "Microstructure and very high cycle fatigue characteristics of powder bed fused - laser beam (PBF-LB) scandium-free Al-Mg-Zr alloy." Materials Science and Engineering: A 930 (2025): 148177.
Shakil, S. I., Bednarczyk, W., Gajewska, M., Mahbooba, Z., Saharan, A., Tridello, A., Paolino, D. S., & Haghshenas, M. (2025). Microstructure and very high cycle fatigue characteristics of powder bed fused - laser beam (PBF-LB) scandium-free Al-Mg-Zr alloy. Materials Science and Engineering: A, 930, 148177.
背景简介
超高周疲劳（Very high cycle fatigue，VHCF）是评估合金耐久性与性能的关键因素，尤其在航空航天和高速列车等严苛应用场景中。这些领域的部件常承受超过1000万次的循环载荷，远超传统疲劳极限。对于铝合金（尤其是增材制造铝合金），理解其超高周疲劳行为至关重要，因为铝（Al）广泛应用于轻质、高强且对疲劳敏感的领域。然而，传统高强铝合金的应用常受限于其不可熔焊性及凝固过程中热裂纹形成的挑战。目前有学者开发了钪（Sc）和锆（Zr）强化的铝镁合金，其时效硬化特性非常适合基于熔合的增材制造工艺。然而，Sc的高成本限制了其广泛应用，促使研究者关注不含Sc但能保持理想力学性能的替代Al-Mg-Zr合金体系。有报道称，无Sc的Al-Mg-Zr合金的极限抗拉强度可达约450MPa，延伸率最高达24%，具备优异的力学性能且成本较低。
尽管具备这些优势，粉末床激光熔融工艺（PBF-LB）可能引入未熔合（Lack of Fusion, LoF）缺陷和残余应力等问题，这些缺陷会严重影响动态载荷下构件的结构完整性。此类缺陷常成为疲劳损伤的萌生点，导致突发且不可预测的失效，这在航空航天和汽车领域尤为突出。因此，理解PBF-LB制备的Al-Mg-Zr合金的超高周疲劳行为，对于确保该材料在长疲劳寿命关键应用中的可靠性与安全性至关重要。
成果介绍
（1）对PBF-LB制备的Al-Mg-Zr合金（时效处理后）微观结构中的细小析出相的分布与成分进行了表征，如图1所示。图1a和1b为细晶区典型微观组织的明场和高角环形暗场图像，可见纳米析出相呈均匀分布，且大部分位于晶界处（蓝色箭头所示），这种沿晶界的析出相聚集通过强化晶界和限制滑移提升了合金的力学性能。而较大的析出相通过限制晶界迁移和位错运动增强合金力学性能，从而提高强度。图1c为单个铝晶粒的透射电镜明场图像，显示了密集分布的纳米级富Zr析出相（即Al3Zr），这些析出相贯穿整个晶粒，可有效阻碍位错运动并提高硬化作用。图1d为图1c中的蓝色方框区域的EDS能谱图，显示了Al、Mg、Mn、Zr和O的分布，其中位于EDS扫描区域中心的较大析出相在Al和Mg能谱图上均呈现较暗区域，表明该区域这两种元素含量较低。相反，Mn能谱图（灰色）及O能谱图（红色）中强度的增加证实该六方颗粒为独立存在的晶内富Mn氧化物，这些氧化物可作为位错钉扎位点，但在循环载荷下也可能成为潜在的裂纹萌生位置。对于富Zr纳米级析出相，进行了高分辨结合快速傅里叶变换分析（图1e），结果显示这些析出相为有序面心立方（L12）结构的Al3Zr颗粒，与基体Al的晶格仅存在微小错配，从而形成低界面能和低应变状态。此类析出相通过钉扎晶界和阻碍位错运动，对提升合金强度和抗疲劳性能起到关键作用。
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图1 (a) PBF-LB Al-Mg-Zr合金（时效后）透射电镜明场和 (b) 高角环形暗场图像；(c) 单个铝晶粒的透射电镜明场图以及密集分布的纳米级富Zr析出相；(d) 对应的Al、Mg、Mn、Zr和O的EDS图；(e)高分辨图像显示Al晶粒内细小的Al3Zr析出物，以及标记傅里叶变换分析区域的彩色方框
（2）图2所示的S-N数据对比了本研究中PBF-LB制备的Al-Mg-Zr合金（红色方形标记数据）与传统制造（挤压成型）的超细晶（Ultra Fine Grain, UFG）和粗晶（Course Grain, CG）Al-5083合金的VHCF性能。在超高周疲劳区间（超过107次循环），挤压成型Al-5083超细晶合金表现出最高抗疲劳性能，其超高周疲劳强度稳定在110 MPa附近，表明即使在长期循环载荷下仍具有优异力学性能。相比之下，挤压成型Al-5053粗晶合金疲劳性能略低，超高周疲劳强度约为100 MPa。所研究的PBF-LB工艺制备Al-Mg-Zr合金在高周及超高周疲劳区间均表现出最低疲劳强度：在107次循环时承受约120 MPa应力幅，而在109次循环时降至约90 MPa。这种性能不足主要归因于增材制造引入的缺陷（如工艺诱导孔隙/未熔合缺陷及残余应力），这些缺陷充当裂纹萌生位点并加速循环载荷下的超高周疲劳失效。但是所研究的Al-Mg-Zr合金表现出与Basquin公式最好的相关性（R2=0.9），凸显了出该合金疲劳失效行为的可预测性。
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图2 本研究中PBF-LB Al-Mg-Zr合金的 VHCF S-N 数据与Meng等人报道的挤压UFG和CG Al-5083合金的对比图
（3）图3显示了107 MPa应力水平下不同的疲劳裂纹萌生机制的断口形貌，包括表面、亚表面和内部萌生，其中缺陷尺寸与位置的差异对疲劳寿命有显著影响。图3a中的裂纹从表面缺陷萌生，测得缺陷尺寸约为74.66 μm，表面缺陷长度为96.8 μm。对缺陷部位标记区域（图3a右侧）的EDS分析显示氧含量为1.84%，表明氧化程度较低，其主要失效机制可能是缺陷处的应力集中（如不规则孔洞或未熔合缺陷），而非氧化物相关的脆化。图3b的次表面裂纹萌生于距表面约10.12 μm的缺陷，尺寸约53.18 μm，疲劳寿命更长。EDS成分分析显示该缺陷存在氧化铝并含少量氧化镁，表明加工过程中或后续暴露导致氧化。缺陷的形貌与局部氧化共同作用，可能导致显微组织脆化，从而在循环载荷下加速裂纹扩展。图3c为内部裂纹萌生，特征为明显的“鱼眼”断裂模式。该内部缺陷尺寸约93.65 μm，位于256.37 μm深度处，由被颗粒状区域（FGA）和氧化物包围的孔洞组成（EDS成分显示氧含量22.70%），这些氧化物主要为氧化铝并含少量氧化镁。缺陷的内部位置因周围完整材料缓冲了应力集中，显著延缓了裂纹扩展，最终实现最长的4.65×108次循环疲劳寿命。这种“鱼眼”断裂模式是超高周疲劳区间的典型特征，凸显了缺陷形貌和位置在决定疲劳寿命中的关键作用。
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图3 在107 MPa相同应力水平下的不同裂纹萌生模式：(a) 表面裂纹萌生，表面缺陷尺寸为74.66 μm，缺陷尺寸为96.8 μm（2.41×107次循环）；(b) 次表面裂纹萌生，表面下方10.12 μm处，缺陷尺寸为53.18 μm（1.14×108次循环）；(c) 内部裂纹萌生，具有特征鱼眼形成，深度256.37 μm，缺陷尺寸为93.65 μm（4.65×108次循环）
（4）通常，缺陷总体分布或最大缺陷应作为疲劳寿命预测建模的基本输入参数，可通过X射线断层扫描检测和利用最大极值分布特性获取。本研究采用 P-S-N 曲线模型，对疲劳寿命、施加应力幅与缺陷尺寸的关系进行建模。具体而言，疲劳寿命对数的累积分布函数可通过下式表示：
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其中x为应力幅的对数，f为缺陷尺寸的概率密度函数，模型中的系数是从施加的应力幅值、失效循环次数和缺陷尺寸的数据中估计的。图4a显示了最大缺陷尺寸与疲劳寿命累积分布函数的Gumbel图以及估计的最大极值分布函数，使用最小二乘法估计，在缺陷尺寸大于40 μm时的关联性良好。基于最大极值分布参数对 P-S-N 曲线进行了估计，结果与试验数据吻合良好（图4b）。约75%的数据落在0.1分位数与0.9分位数 P-S-N 曲线之间，且中位数 P-S-N 曲线均匀地划分了试验数据，突出了缺陷大小与疲劳寿命强关联性。
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图4 缺陷尺寸分布和P-S-N曲线：(a) 疲劳裂纹源缺陷的Gumbel图，(b) P-S-N曲线
致谢
本文第一作者：Shawkat I. Shakil (University of Toledo) 。本文通讯作者：Meysam Haghshenas (University of Toledo) 。
本期小编 王永杰（整理）
董乃健（校对）
程 航（审核）
董乃健（发布）
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