閆路，劉斌斌，曲斌瑞，孫文東

平貯ZL205A鋁合金微觀缺陷與宏觀力學(xué)性能關(guān)系研究

閆路1，劉斌斌2*，曲斌瑞1，孫文東3

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京科技大學(xué) 新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

評(píng)估長(zhǎng)期貯存ZL205A鋁合金的微觀缺陷對(duì)性能的影響。利用X射線無損檢測(cè)研究平貯合金的缺陷等級(jí)分布，并進(jìn)一步研究合金室溫拉伸、高溫拉伸、室溫疲勞和室溫沖擊性能。經(jīng)過平貯12 a后的ZL205A鋁合金，其微觀缺陷即針孔等級(jí)位于1～6級(jí)，僅發(fā)現(xiàn)少量的伴生帶狀偏析。室溫拉伸時(shí)，1～3級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度為380 MPa，而5級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度大幅下降到340.5 MPa，表明室溫下4級(jí)及以上針孔對(duì)于拉伸強(qiáng)度有著重要影響。高溫拉伸時(shí)，僅在100 ℃表現(xiàn)為樣品缺陷等級(jí)越高，抗拉強(qiáng)度越高的趨勢(shì)。常溫疲勞試驗(yàn)表明，在107周的壽命下，合金的疲勞極限為99.2 MPa。常溫沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1級(jí)針孔樣品的平均沖擊吸收能量為3.19 J，明顯優(yōu)于其他針孔等級(jí)樣品。室溫拉伸和室溫沖擊時(shí)，材料的力學(xué)性能與缺陷等級(jí)密切相關(guān)。高溫拉伸時(shí)，溫度上升導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降的作用超過了缺陷自身對(duì)性能的影響。

ZL205A；微觀缺陷；室溫拉伸；高溫拉伸；室溫疲勞；室溫沖擊

高強(qiáng)鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能及焊接性能良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及民用領(lǐng)域。鑄造鋁合金是航天主承力結(jié)構(gòu)材料之一，適用于鑄造生產(chǎn)形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度要求高、整體性能要求均一的整體機(jī)加網(wǎng)格艙段零件[1-2]。其中，通過復(fù)雜熔煉工藝和多級(jí)熱處理工藝，ZL205A鑄造鋁合金的強(qiáng)度可達(dá)390 MPa，超過了美國(guó)的 KO-1和俄羅斯的 BAЛ14合金[3]，同時(shí)還具有比強(qiáng)度高、抗應(yīng)力腐蝕、可整體機(jī)械加工、可電鍍等良好的綜合性能，適合生產(chǎn)大型受力艙段結(jié)構(gòu)件，并可以用于生產(chǎn)以鑄代鍛、以鋁代鋼、整體鑄造等構(gòu)件[3-4]。研究人員對(duì)ZL205A的定性凝固鑄造、低壓鑄造、鑄造缺陷、性能以及熱處理工藝等進(jìn)行了深入的研究[3-9]。

目前關(guān)于不同時(shí)效制度對(duì)ZL205A合金力學(xué)性能影響的研究較多，但是關(guān)于合金在使用或長(zhǎng)期貯存過程中發(fā)生的自然時(shí)效對(duì)合金性能的影響則鮮有報(bào)道。趙小蓮等[10]研究發(fā)現(xiàn)，人工時(shí)效前增加自然時(shí)效可以優(yōu)化7A04 鋁合金的組織性能，使其晶內(nèi)析出相的尺寸更加細(xì)小，分布更加均勻，進(jìn)而提高強(qiáng)度和耐腐蝕性。Chen等[11]也研究發(fā)現(xiàn)，自然時(shí)效可以提高A201-T7鋁合金的力學(xué)性能和抗應(yīng)力腐蝕性能。張建波等[12]研究了自然時(shí)效60 d的7N01鋁合金的電導(dǎo)率和性能的變化，當(dāng)自然時(shí)效時(shí)間達(dá)到20 d時(shí)，合金的電導(dǎo)率和抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，但是伸長(zhǎng)率在1 d就達(dá)到穩(wěn)定值。對(duì)于6061型鋁合金，自然時(shí)效7 d后，合金的硬度趨于穩(wěn)定，但是Cu的添加則會(huì)抑制自然時(shí)效[13]。Zhang等[14]研究了AA2024鋁合金在自然時(shí)效過程中的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增加，合金的強(qiáng)度先上升、再下降，拉伸斷口處的韌窩越來越少，意味著合金的塑性逐漸降低。張蕭笛等[15]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，自然時(shí)效2個(gè)月后，噴砂件均存在回彈現(xiàn)象，即存在尺寸不穩(wěn)定性。

由上可知，自然時(shí)效對(duì)鋁合金的力學(xué)、電以及腐蝕性能都有重要影響，但目前研究的自然時(shí)效時(shí)間通常較短，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間貯存的鋁合金組織和性能的報(bào)道則較少。董春林等[16]比較了自然時(shí)效3 d和730 d后7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能，結(jié)果表明，自然時(shí)效730 d后，合金接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率較自然時(shí)效3 d都有明顯提升，焊核區(qū)和熱力影響區(qū)的硬度也有所提升。接頭性能的變化與焊接頭的焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)的組織、位錯(cuò)密度、第二相粒子等密切相關(guān)[17-18]，也受合金時(shí)效熱處理制度的影響[19]。Abouarkoub等[20]研究了室溫儲(chǔ)存超過3 a的AA6611合金的微觀組織和硬度，結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間的貯存會(huì)改變合金的析出相，但是對(duì)合金的硬度影響較小。Aruga等[21]也研究了經(jīng)過室溫自然時(shí)效325 d后的Al-Mg-Si合金的硬度，發(fā)現(xiàn)隨著室溫儲(chǔ)存時(shí)間的增加，合金的硬度逐漸增大。章國(guó)偉等[22]研究了噴射成形Al-Zn-Mg-Cu合金的自然時(shí)效行為，開始時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨自然時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，而伸長(zhǎng)率則逐漸下降；隨著自然時(shí)效的增加，合金的抗拉強(qiáng)度開始減小，但是伸長(zhǎng)率有所回升；進(jìn)一步延長(zhǎng)自然時(shí)效時(shí)間，合金的抗拉強(qiáng)度再次增加，塑性則再次減小。

以上研究都表明，Al合金平貯時(shí)發(fā)生自然時(shí)效會(huì)對(duì)合金的性能產(chǎn)生重要影響，合金組織演變和性能下降將影響航天結(jié)構(gòu)件的壽命，需要進(jìn)一步深入研究。但是，目前關(guān)于鋁合金自然時(shí)效對(duì)其性能影響的研究中主要存在2個(gè)問題：自然時(shí)效時(shí)間的通常不超過3 a，缺少10 a及以上的研究報(bào)道；用于評(píng)價(jià)材料性能的指標(biāo)主要是硬度和室溫拉伸性能，其他性能如高溫拉伸、疲勞和沖擊等研究缺失。因此，本研究以經(jīng)室溫貯存12 a的ZL205A鋁合金為研究對(duì)象，在獲得合金微觀缺陷特征的基礎(chǔ)上，研究了合金室溫拉伸、高溫拉伸、室溫疲勞和室溫沖擊性能，建立了長(zhǎng)時(shí)貯存后ZL205A的微觀缺陷與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。這些研究不僅有助于揭示長(zhǎng)期自然時(shí)效過程中ZL205A的性能變化，更為預(yù)測(cè)平貯鑄件的壽命和穩(wěn)定性提供有益的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)計(jì)

本研究的試驗(yàn)材料為經(jīng)過12 a室溫貯存的ZL205A鋁合金，樣品的熱處理狀態(tài)為T6。為了評(píng)估平貯后的鑄件性能，對(duì)鑄件進(jìn)行整體剖切后，通過X射線無損檢測(cè)研究合金經(jīng)過平貯后的微觀缺陷，并進(jìn)一步通過高溫拉伸、室溫拉伸、室溫疲勞和室溫沖擊等試驗(yàn)評(píng)估平貯鑄件的力學(xué)性能。

1.2 X射線無損檢測(cè)

為了研究鑄件中微觀缺陷與其室高溫力學(xué)性能的關(guān)系，所有用于力學(xué)性能測(cè)試的樣品在加工完成后均進(jìn)行X射線無損檢測(cè)。送檢樣品共計(jì)264件，其中對(duì)比樣品16件，室溫沖擊試樣128件，高溫拉伸試樣32件，疲勞試樣28件及室溫拉伸試樣60件。試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為Q/6S 977—2004、GJB 1187A—2001《射線檢驗(yàn)》和GB 11346—1989《鋁合金鑄件X射線照相檢驗(yàn)針孔（圓形）分級(jí)》。

1.3 室高溫拉伸試驗(yàn)

室高溫拉伸試驗(yàn)均使用MTS809力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，拉伸試驗(yàn)的樣品制備及試驗(yàn)條件執(zhí)行GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)》。其中高溫拉伸的試驗(yàn)溫度為250、200、150、100 ℃。板狀試樣平直，表面無劃痕、損傷及銹蝕，圓弧與工作部分連接圓滑。

1.4 室溫疲勞試驗(yàn)

室溫疲勞包括2個(gè)部分：成組法測(cè)試中值疲勞壽命、升降法測(cè)量疲勞極限，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞實(shí)驗(yàn)軸應(yīng)力控制方法》，Q/Y 322—2009《金屬材料理化檢測(cè)試樣加工規(guī)定》。成組法測(cè)試中值疲勞壽命的頻率為90 Hz，應(yīng)力比為0.5，4個(gè)應(yīng)力水平分別是240、200、160、140 MPa。疲勞試樣在加工過程中無冷作硬化或過熱，表面無劃痕、損傷及銹蝕，表面精加工方向使用縱向拋光。

1.5 室溫沖擊試驗(yàn)

室溫沖擊試驗(yàn)的塊狀樣品尺寸為55 mm×10 mm× 10 mm，V形缺口夾角為45°，缺口深度為2 mm，底部曲率半徑為0.25 mm，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。沖擊樣品總數(shù)為128件，其中符合標(biāo)準(zhǔn)要求的樣品為119件，不符合標(biāo)準(zhǔn)的樣品主要來源于開口處放大觀察后存在微孔等缺陷。

沖擊試驗(yàn)使用的擺錘刀刃半徑為2 mm，因此使用沖擊吸收能量KV2評(píng)價(jià)試樣的室溫沖擊性能，試驗(yàn)機(jī)的分辨率為0.1 J。為保證數(shù)值的有效性，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣吸收能量不應(yīng)超過實(shí)際初始勢(shì)能p的80%，建議吸收能量的下限應(yīng)不低于試驗(yàn)機(jī)最小分辨力的25倍。因此，沖擊吸收能量KV2的最小值應(yīng)為2.5 J。沖擊試驗(yàn)后，使用Zeiss Ultra55 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

248件鑄件不同力學(xué)性能測(cè)試試樣（常溫沖擊、常溫疲勞、常溫拉伸和高溫拉伸）及16件對(duì)比樣的針孔等級(jí)分布如圖1所示。整體而言，在所有264件樣品中，樣品的針孔等級(jí)位于1～6級(jí)，僅在沖擊試驗(yàn)樣品中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3件存在1級(jí)帶狀偏析的試樣。1級(jí)針孔的數(shù)量為122塊，占總送檢數(shù)的比例為46.21%；3級(jí)以上針孔的試樣總數(shù)為87塊，占總送檢數(shù)的32.95%；5級(jí)及以上針孔的試樣總數(shù)為15塊，占總送檢數(shù)的5.68%。在常溫沖擊試驗(yàn)樣品中，沒有5級(jí)及以上針孔，其余性能測(cè)試的試驗(yàn)樣品中均存在5級(jí)和6級(jí)。

圖1 試驗(yàn)樣品及對(duì)比樣品的針孔等級(jí)分布

從圖1可以看出，室溫拉伸樣品中，1級(jí)和2級(jí)針孔等級(jí)的試樣共44件，占比為73.33%。不同針孔等級(jí)樣品室溫拉伸時(shí)的抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖2所示。由于拉伸過程中試樣的伸長(zhǎng)率較低，其中10根試樣的伸長(zhǎng)率不足0.2%，因此此處以抗拉強(qiáng)度（p）作為參照對(duì)象，比較室溫拉伸性能與樣品微觀缺陷即針孔等級(jí)的關(guān)系。從圖2可以看出，1～3級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度在380 MPa附近，平均抗拉強(qiáng)度分別是380.83、377.07、385.13MPa。4級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度略微下降，為372.83 MPa，而5級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度下降明顯，僅為340.50 MPa。這個(gè)結(jié)果表明，常溫拉伸過程中，4級(jí)及以上針孔對(duì)力學(xué)性能的影響較明顯。

根據(jù)QJ 3185—2003《航天用鋁合金ZL205A、ZL114A 鑄件規(guī)范》，本批次樣品常溫拉伸時(shí)，伸長(zhǎng)率較低，樣品的平均抗拉強(qiáng)度為378.32 MPa，但是平均拉伸伸長(zhǎng)率僅為0.55%，平均屈服強(qiáng)度為354 MPa，平均彈性模量為74.1 GPa。與標(biāo)準(zhǔn)要求的390 MPa相比，平均抗拉強(qiáng)度略有降低，平均伸長(zhǎng)率相比于T6態(tài)的3%降低明顯[6]，平均屈服強(qiáng)度和彈性模量高于標(biāo)準(zhǔn)要求。這個(gè)結(jié)果說明，長(zhǎng)期貯存對(duì)材料的塑性有著重要的影響，合金塑性的降低可能與長(zhǎng)期自然時(shí)效過程中析出物的形成有關(guān)[21]。Abouarkoub等[20]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過室溫存儲(chǔ)3 a，Al-Mg-Si-Cu合金中有序原子團(tuán)簇和GP區(qū)的長(zhǎng)大抑制了其他析出相的析出。這也進(jìn)一步表明，對(duì)于長(zhǎng)期貯存的航天構(gòu)件，后續(xù)研究時(shí)，除了宏觀力學(xué)性能等指標(biāo)外，貯存條件如溫度、濕度、時(shí)間等因素對(duì)于組織的影響也需要深入研究。

100、150、200、250 ℃拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度分布如圖3所示。同樣由于250 ℃拉伸過程中試樣的伸長(zhǎng)率較低，因此此處同樣以抗拉強(qiáng)度（p）作為參照對(duì)象，比較高溫拉伸性能與樣品微觀缺陷即針孔等級(jí)的關(guān)系。從圖3可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，特別是溫度在250 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)急劇降低。100 ℃時(shí)樣品的平均抗拉強(qiáng)度為349.88 MPa，150 ℃時(shí)則降為325.25 MPa，200 ℃時(shí)進(jìn)一步下降到308.43 MPa，250 ℃時(shí)僅為200.00 MPa。Wang等[23]的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，ZL205A的強(qiáng)度明顯下降，這與300 ℃時(shí)晶界處T相大量形成密切相關(guān)。

圖3 不同溫度拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度的分布

X射線無損檢測(cè)表明，有22塊樣品的針孔等級(jí)在3級(jí)及以上。圖4比較了4個(gè)溫度拉伸時(shí)樣品的抗拉強(qiáng)度隨針孔等級(jí)變化趨勢(shì)。從圖4a可以看出，在100 ℃拉伸時(shí)，2級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于3級(jí)和6級(jí)針孔的樣品，但是3級(jí)和6級(jí)針孔樣品的抗拉強(qiáng)度與針孔等級(jí)之間沒有明顯的關(guān)聯(lián)性。與此類似的是，當(dāng)拉伸溫度在150 ℃及以上時(shí)，樣品的抗拉強(qiáng)度與針孔等級(jí)均不存在明顯的相關(guān)性（圖4b～d）。如150 ℃拉伸時(shí)，3級(jí)針孔的樣品的性能甚至優(yōu)于具有1級(jí)針孔的樣品。這個(gè)結(jié)果表明，隨著溫度上升，材料本征因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響大于針孔等微觀缺陷。

由于所有試驗(yàn)溫度下均有3級(jí)針孔等級(jí)的樣品，這里進(jìn)一步比較了不同溫度下所有針孔等級(jí)樣品的平均抗拉強(qiáng)度與3級(jí)針孔樣品的平均抗拉強(qiáng)度。100、150、200、250 ℃時(shí)，所有針孔等級(jí)樣品的平均抗拉強(qiáng)度分別為349.88、325.25、308.43、200.0 MPa，而3級(jí)針孔等級(jí)樣品的值則分別是334.50、326.75、302.5、197.00 MPa?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，不同針孔等級(jí)樣品的抗拉強(qiáng)度都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，特別是250 ℃拉伸時(shí)，抗拉強(qiáng)度較200 ℃下降了超過100 MPa，這同樣是與高溫時(shí)晶界處T相的大量析出有關(guān)。Lu等[24]的研究也發(fā)現(xiàn)，通過熱處理消除晶界處T相的偏析有利于改善材料的力學(xué)性能。高溫變形時(shí)，晶界本身弱化也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降。3級(jí)針孔樣品的平均抗拉強(qiáng)度很接近全部針孔等級(jí)的數(shù)值，這也進(jìn)一步證實(shí)了上述推測(cè)，即高溫拉伸時(shí)，溫度上升導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降的作用超過了缺陷自身對(duì)性能的影響。

圖4 不同溫度拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度隨針孔等級(jí)變化趨勢(shì)

下面進(jìn)一步研究不同等級(jí)針孔對(duì)合金室溫疲勞性能的影響，不同應(yīng)力水平下的中值疲勞壽命值見表1。從表1中可以明顯地看出，隨著應(yīng)力水平的下降，對(duì)數(shù)疲勞壽命中值明顯增加。當(dāng)應(yīng)力為240 MPa時(shí)，對(duì)數(shù)疲勞壽命中值為4.827，中值疲勞壽命為67 140周；當(dāng)應(yīng)力下降到140 MPa時(shí)，對(duì)數(shù)疲勞壽命中值則增加到5.85，中值疲勞壽命也增加到707 800周。在高應(yīng)力水平下，對(duì)數(shù)疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)差較大，240 MPa應(yīng)力時(shí)，對(duì)數(shù)壽命的標(biāo)準(zhǔn)差為0.527 6。隨著應(yīng)力水平的下降，對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差下降到了0.225 8，這說明高應(yīng)力水平下，疲勞壽命對(duì)組織或缺陷等更加敏感。

表1 不同應(yīng)力水平下的中值疲勞壽命值

Tab.1 Mediate fatigue life capability under different stress levels

采用升降法測(cè)量疲勞極限的應(yīng)力升降圖如圖5所示。其原理是，首先預(yù)估一疲勞極限，在略高于疲勞極限的應(yīng)力水平下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，若前一個(gè)試樣未達(dá)到指定壽命即發(fā)生破壞，則在隨后的一次試驗(yàn)就在低1級(jí)的最大應(yīng)力下進(jìn)行；若前一個(gè)試樣達(dá)到指定壽命仍未發(fā)生破壞，隨后的一次試驗(yàn)就在高1級(jí)的最大應(yīng)力下進(jìn)行，直到全部完成試驗(yàn)為止。隨后，根據(jù)應(yīng)力升降圖，將相鄰應(yīng)力等級(jí)的各數(shù)據(jù)點(diǎn)配對(duì)，配對(duì)從第一次出現(xiàn)相反結(jié)果的2個(gè)數(shù)據(jù)開始，按照上述方法安排試驗(yàn)。當(dāng)升降圖閉合時(shí)，各數(shù)據(jù)點(diǎn)均可配對(duì)。閉合的條件是。根據(jù)有效數(shù)據(jù)的終點(diǎn)為越出或破壞，可設(shè)想在某一應(yīng)力水平還存在一數(shù)據(jù)點(diǎn)，若該數(shù)據(jù)點(diǎn)與有效數(shù)據(jù)的起點(diǎn)位于同一應(yīng)力水平則表示閉合。通常試驗(yàn)時(shí)，會(huì)選取6組配對(duì)對(duì)子，即為閉合。

根據(jù)疲勞極限應(yīng)力對(duì)照表。疲勞極限的計(jì)算方法為：

=(A1*1+A2*2+A3*3+A4*4)/(1+2+3+4) (1)

根據(jù)計(jì)算，在107的壽命下的疲勞極限為99.2 MPa。最終結(jié)合中值疲勞壽命和疲勞極限的相關(guān)結(jié)果，采用以下方程擬合疲勞曲線：

lgf=9.754 2–2.249 3 lg(max–82.5) (2)

表2 疲勞極限應(yīng)力對(duì)照

Tab.2 Ultimate stresses of fatigue

擬合后的疲勞曲線如圖6所示，其中擬合相關(guān)系數(shù)為0.998 8。為了進(jìn)一步分析針孔等級(jí)對(duì)于疲勞壽命的影響，選取了200、160、140 MPa等3個(gè)應(yīng)力水平，并比較了疲勞壽命與樣品自身針孔等級(jí)的關(guān)系。在200 MPa的應(yīng)力水平下，同為4級(jí)針孔樣品的疲勞壽命分別為193 000周和68 000周；在160 MPa的應(yīng)力時(shí)，具有3級(jí)針孔的樣品的疲勞壽命可以達(dá)到525 000周，而2級(jí)針孔樣品的壽命為196 000周?？梢园l(fā)現(xiàn)，在這2個(gè)應(yīng)力水平下，樣品的疲勞壽命與微觀缺陷等級(jí)沒有明顯的關(guān)聯(lián)性。然而，當(dāng)應(yīng)力水平為140 MPa時(shí)，具有1級(jí)針孔的樣品疲勞壽命達(dá)到了1 044 000周，而5級(jí)針孔樣品的疲勞壽命僅為290 000周，1級(jí)針孔樣品的疲勞壽命是5級(jí)針孔樣品的3.6倍。這說明在低應(yīng)力水平下，樣品的微觀缺陷等級(jí)對(duì)合金的疲勞性能有著重要影響。Li等[25]研究了實(shí)際使用過程中失效的ZL205A鑄件的失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鑄造過程中的缺陷（如微孔等）是服役過程中疲勞裂紋的萌生點(diǎn)，導(dǎo)致構(gòu)件在使用過程中的破壞。其他研究也表明，微孔等鑄造缺陷能夠使得材料的疲勞損傷容限降低40%[25]。文中的結(jié)果進(jìn)一步表明，在低應(yīng)力水平下，缺陷對(duì)疲勞壽命的影響更大。

圖6 擬合的疲勞曲線

符合國(guó)標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的89個(gè)室溫沖擊樣品沖擊吸收能量（KV2）的針孔等級(jí)分布如圖7所示?？梢钥闯?，在89塊符合標(biāo)準(zhǔn)的樣品中，1級(jí)針孔的最大KV2值能夠超過4.0 J，2級(jí)針孔樣品都未達(dá)到4.0 J，而對(duì)于3級(jí)及以上針孔的試樣，KV2基本集中在2.50～2.60 J（實(shí)測(cè)值均為2.58 J）。進(jìn)一步分析了同一針孔等級(jí)樣品的平均沖擊吸收能量，1級(jí)針孔樣品的平均沖擊吸收能量為3.19 J，2級(jí)針孔樣品則降為2.86 J，較1級(jí)針孔樣品下降了11.3%；3級(jí)和4級(jí)針孔樣品的平均沖擊吸收能量比較接近，分別為2.58、2.60 J，分別較1級(jí)針孔樣品下降了19.2%和18.5%。這說明隨著樣品針孔等級(jí)下降，即微觀缺陷尺寸的增加，試樣的沖擊性能下降明顯。

圖7 室溫沖擊樣品的沖擊吸收能量（KV2）的針孔等級(jí)分布

室溫沖擊樣品斷口形貌如圖8所示。從圖8a可以看出，在斷口上存在明顯的未閉合的孔洞，這與某失效件斷口附近形貌一致，被認(rèn)為是鑄造過程大的應(yīng)力集中造成的[26]。在進(jìn)一步放大的圖8b中，除了鋁合金基體典型的韌窩形貌外，還觀察到了明顯粗大的析出物以及其內(nèi)部的裂紋，呈現(xiàn)出沿晶斷裂的特征，這與長(zhǎng)期自然時(shí)效過程中析出物在晶界處的析出有關(guān)[27]。

圖8 室溫沖擊樣品斷口形貌

3 結(jié)論

1）經(jīng)過平貯12 a后的ZL205A鋁合金樣品的微觀缺陷，即針孔等級(jí)位于1～6級(jí)，僅發(fā)現(xiàn)少量的伴生帶狀偏析，5級(jí)及以上針孔缺陷的比例為5.68%。

2）室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，4級(jí)及以上針孔等級(jí)的樣品明顯低于1～3級(jí)針孔等級(jí)樣品，但高溫拉伸時(shí)僅在100 ℃表現(xiàn)為樣品缺陷等級(jí)越高，抗拉強(qiáng)度越高的趨勢(shì)。這表明在高溫拉伸時(shí)，溫度上升導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降的作用超過了缺陷自身對(duì)性能的影響。

3）常溫疲勞試驗(yàn)表明，在107的壽命下，ZL205A合金的疲勞極限為99.2 MPa，低應(yīng)力水平下疲勞壽命與針孔等級(jí)有明顯的相關(guān)性。

4）常溫沖擊試驗(yàn)表明，樣品的沖擊性能與缺陷等級(jí)密切相關(guān)。1級(jí)針孔樣品的平均沖擊吸收能量為3.19 J，2級(jí)針孔樣品則降為2.86 J，3級(jí)和4級(jí)針孔樣品的平均沖擊吸收能量分別下降到2.58、2.60J。這說明樣品針孔等級(jí)下降，不利于試樣的沖擊性能。

[1] 夏德順. 新型輕合金結(jié)構(gòu)材料在航天運(yùn)載器上的應(yīng)用與分析(上)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2000(4): 18-22. XIA De-shun. The Application and Analysis of New Light Alloys in Aerospace Vehicle(1)[J]. Missiles and Space Vehicles, 2000(4): 18-22.

[2] STAKEY J T. Aluminum Alloys: Contemporary Research and Applications[M]. San Diego: Academic Press, 1989.

[3] 賈泮江, 陳邦峰. ZL205A高強(qiáng)鑄造鋁合金的性能及應(yīng)用[J]. 輕合金加工技術(shù), 2009, 37(11): 10-12. JIA Pan-jiang, CHEN Bang-feng. The Properties and Application of High Strength ZL205A Casting Aluminum Alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2009, 37(11): 10-12.

[4] WANG Liang, FAN Xue-yi, LUO Liang-shun, et al. Influence of Traveling Magnetic Field on Solidification Defects and Mechanical Properties of ZL205A Alloy Sheet Casts[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 45(12): 3177-3180.

[5] WANG Ru-jia, WU Shi-ping, CHEN Wei. Effect of Vibration on Seepage Feeding during Low-Pressure Casting of ZL205A Alloy[J]. China Foundry, 2019, 16(1): 40-45.

[6] WU Shi-ping, WANG Ru-jia, WANG Ye, et al. Reduction of Shrinkage Porosities in Aluminum Alloy Castings by External Pressure Fluctuation under Gravity Field[J]. China Foundry, 2018, 15(5): 372-377.

[7] 李玉, 張國(guó)偉, 徐宏, 等. ZL205A合金熱處理工藝研究[J]. 鑄造技術(shù), 2017, 38(1): 68-69. LI Yu, ZHANG Guo-wei, XU Hong, et al. Study on Heat Treatment Process for ZL205A Alloy[J]. Foundry Technology, 2017, 38(1): 68-69.

[8] LEI L, LUO L, SU Yan-qing, et al. Optimizing Microstructure, Shrinkage Defects and Mechanical Performance of ZL205A Alloys via Coupling Travelling Magnetic Fields with Unidirectional Solidification[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 74: 246-258.

[9] 郭廷彪, 馮瑞, 王炳, 等. 固溶及時(shí)效處理對(duì)ZL205A合金腐蝕性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2023, 44(4): 87-94.GUO Ting-biao, FENG Rui, WANG Bing, et al. Effect of Solution and Aging Treatment on Corrosion Properties of ZL205A Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2023, 44(4): 87-94.

[10] 趙小蓮, 劉東, 張坷星, 等. 自然時(shí)效對(duì)7A04鋁合金力學(xué)性能和電化學(xué)腐蝕行為的影響[J]. 熱加工工藝, 2022, 51(18): 122-125.ZHAO Xiao-lian, LIU Dong, ZHANG Ke-xing, et al. Effect of Natural Aging on Mechanical Properties and Electrochemical Corrosion Behavior of 7A04 Aluminum Alloy[J]. Hot Working Technology, 2022, 51(18): 122-125.

[11] CHEN M C, WEN M C, CHIU Y C, et al．Effect of Natural Aging on the Stress Corrosion Cracking Behavior of A201-T7 Aluminum Alloy[J]. Materials, 2020, 13(24): 5631-5631. CHEN M C, WEN Ming-che, CHIU Y C, et al. Effect of Natural Aging on the Stress Corrosion Cracking Behavior of A201-T7 Aluminum Alloy[J]. Materials, 2020, 13(24): 5631.

[12] 張建波, 張永安, 何振波, 等. 自然時(shí)效對(duì)7N01鋁合金組織和性能的影響[J]. 稀有金屬, 2012, 36(2): 191-195.ZHANG Jian-bo, ZHANG Yong-an, HE Zhen-bo, et al. Effect of Natural Ageing on Properties and Microstructure of 7N01 Aluminum Alloys[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2012, 36(2): 191-195.

[13] 紀(jì)艷麗, 陳林, 郭世杰, 等. 自然時(shí)效及Cu對(duì)6061型鋁合金塑性的影響[J]. 輕合金加工技術(shù), 2021, 49(10): 28-32.JI Yan-li, CHEN Lin, GUO Shi-jie, et al. Influence of Natural Ageing and Cu on the Ductility of 6061 Al Alloys[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2021, 49(10): 28-32.

[14] ZHANG Peng, CHEN Ming-he, XIE Lan-sheng, Effect of Natural Aging Time on Tensile Properties and Fracture of Heat-Treated AA2024-O Al-Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(3): 819-824.

[15] 張蕭笛, 廖凱, 黃鑫, 等. 鋁合金薄壁噴砂件自然時(shí)效下的尺寸不穩(wěn)定性分析[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2017, 38(8): 145-150. ZHANG Xiao-di, LIAO Kai, HUANG Xin, et al. Shape Instability Analysis of Al Alloy Thin Walled Shot-Peened Component under Natural Aging[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2017, 38(8): 145-150.

[16] 董春林, 張坤, 欒國(guó)紅, 等. 自然時(shí)效對(duì)7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2014, 35(4): 15-18.DONG Chun-lin, ZHANG Kun, LUAN Guo-hong, et al. Effect of Natural Aging on Mechanical Properties of 7050 Aluminum Alloy Friction Stir Welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(4): 15-18.

[17] JARIYABOON M, DAVENPORT A J, AMBAT R, et al. The Effect of Welding Parameters on the Corrosion Behaviour of Friction Stir Welded AA2024-T351[J]. Corrosion Science, 2007, 49(2): 877-909.

[18] SU J Q, NELSON T W, MISHRA R, et al. Microstructural Investigation of Friction Stir Welded 7050-T651 Aluminium[J]. Acta Materialia, 2003, 51(3): 713-729.

[19] RHODES C G, MAHONEY M W, BINGEL W H, et al. Effects of Friction Stir Welding on Microstructure of 7075 Aluminum[J]. Scripta Materialia, 1997, 36(1): 69-75.

[20] ABOUARKOUB A, THOMPSON G E, ZHOU X, et al. The Influence of Prolonged Natural Aging on the Subsequent Artificial Aging Response of the AA6111 Automotive Alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2015, 46(9): 4380-4393.

[21] ARUGA Y, KOZUKA M, TAKAKI Y, et al. Formation and Reversion of Clusters during Natural Aging and Subsequent Artificial Aging in an Al-Mg-Si Alloy[J]. Materials Science and Engineering: A, 2015, 631: 86-96.

[22] 章國(guó)偉, 陳剛, 翟景, 等. 噴射沉積超高強(qiáng)鋁合金自然時(shí)效行為分析[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2013, 36(2): 56-58.ZHANG Guo-wei, CHEN Gang, ZHAI Jing, et al. Natural Aging Behavior of Spray Formed Superhigh Strength Aluminum Alloys[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2013, 36(2): 56-58.

[23] WANG Wen-guang, GUO Guan-nan, WANG Gang. Microstructure Effects on Tensile Brittleness of as-Quenched ZL205A at Elevated Temperature[C]// Proceedings of 28th Heat Treating Society Conference (Heat Treating 2015). Ohio: ASM-International, 2015.

[24] LU Gang, CHEN Yi-si, YAN Qing-song, et al. Effects of Continuous and Pulsed Ultrasonic Treatment on Microstructure and Microhardness in Different Vertical Depth of ZL205A Castings[J]. Materials, 2020, 13(19): 4240.

[25] LI Bo, SHEN Yi-fu, HU Wei-ye. Casting Defects Induced Fatigue Damage in Aircraft Frames of ZL205A Aluminum Alloy—A Failure Analysis[J]. Materials & Design, 2011, 32(5): 2570-2582.

[26] GAO Y X, YI J Z, LEE P D, et al. A Micro-Cell Model of the Effect of Microstructure and Defects on Fatigue Resistance in Cast Aluminum Alloys[J]. Acta Materialia, 2004, 52(19): 5435-5449.

[27] YI Gao-song, CULLEN D A, LITTRELL K C, et al. Characterization of Al-Mg Alloy Aged at Low Tempera-tures[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, 48(4): 2040-2050.

Relationship between Microdefects and Mechanical Properties of ZL205A Aluminum Alloy after Long-time Storage

YAN Lu1, LIU Bin-bin2*, QU Bin-rui1, SUN Wen-dong3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2. State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3. China Astronautics Standards Institute, Beijing 100071, China)

The work aims to evaluate the effect of microdefects on the properties of ZL205A aluminum alloy after long-time storage. The X-ray non-destructive testing was firstly introduced to study the distribution of microdefect levels and then mechanical propertied including room temperature and high temperature tensile, room temperature fatigue and room temperature impact were investigated. After storage at room temperature for 12 years, the microdefect levels of ZL205A aluminum alloy ranged from 1 to 6, while a few associated band segregations were determined as well. The room temperature tensile strength of samples with microdefect level from 1 to 3 was around 380 MPa, but it decreased to 340.5 MPa in the samples with microdefect level 5. The results indicated that microdefect level higher than 4 had great impact on the tensile strength at room temperature. However, the trend of higher microdefect level leading to larger tensile strength was only observed at 100 ℃ during high temperature tensile. Room temperature fatigue tests indicated that the fatigue limit of ZL205A alloy was 99.2 MPa under the fatigue life capability of 107cycles. The average impact absorbed energy of samples with microdefect level 1 was 3.19 J, obviously higher than that of samples with lower microdefect levels. The room temperature tensile and impact properties show strong dependence on the microdefect levels. At high temperature tensile, the decrease of strength is determined by temperature rather than microdefect levels.

ZL205A; microdefects; room temperature tensile; high temperature tensile; room temperature fatigue; room temperature impact

2023-09-15；

2023-10-10

Pre-research project of metallic materials of Department of Aerospace (JPPT-2016-010).

TG146.2+1

A

1672-9242(2023)10-0022-08

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.003

2023-09-15；

2023-10-10

航天部金屬材料預(yù)研課題（JPPT-2016-010）

閆路,劉斌斌,曲斌瑞, 等. 平貯ZL205A鋁合金微觀缺陷與宏觀力學(xué)性能關(guān)系研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 22-29.

YAN Lu, LIU Bin-bin, QU Bin-rui, et al. Relationship between Microdefects and Mechanical Properties of ZL205A Aluminum Alloy after Long-time Storage[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 22-29.

責(zé)任編輯：劉世忠