1、引言
7系鋁合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金，此類合金具有密度低、比強度高、良好的加工性能及優良的焊接性能等一系列優點。隨著應用在鋁合金上的熱處理工藝及微合金化技術的不斷改進，其力學性能被大幅度強化，綜合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、車輛、橋梁、工兵裝備和大型壓力容器等方面都得到了廣泛的應用。
現代工業的飛速發展，對7系鋁合金的強度、韌性以及抗應力腐蝕性能等提出了更高的要求。但是存在另外一個現象，在各行各業的領域中，鋁合金設備偶爾會出現難以察覺的斷裂，在斷裂之前很難甚至無法察覺到一點塑性變形。這種斷裂形式，對人身以及財產安全造成了不可挽回的損失。經過大量實驗表明，這些斷裂是由于材料的疲勞引起，材料在交變載荷的長期作用下，表面或者內部，尤其是內部會產生微觀裂紋。本文主要研究鋁合金疲勞引起的裂紋以及疲勞斷口分析，此類研究對于日后的生產安全有重大意義。
2、7系鋁合金的發展歷史
在20世紀20年代，德國的科學家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于該合金抗應力腐蝕性能太差，并未得到產業內應用。在20世紀30年代初一直到二戰結束期間，各個國家在研究中發現，Cu元素可以提高鋁合金的抗應力腐蝕性能。在此，開發了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽視了對Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、蘇、法等國在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基礎上成功地開發了7075 、B93 和D683等合金。目前正廣泛應用在航空航天事業上，但是強度、韌性、抗應力腐蝕性能三者之間未能實現最佳組合狀態。20世紀50年代，德國科學家公布了具有優良焊接性能的合金AlZnMg1和AlZnMg2，引起了人們對Al-Zn-Mg系合金的重視。在此段時間，美國學者在AlZnMg1合金的基礎上，加入了Zr、Mn、Cr 等元素，研制出了7004和7005合金，具有優良焊接性和抗應力腐蝕性能，廣泛應用于焊接行業。唯一不足的是，工藝性能較差。日本科學家嘗試降低合金中Mg含量，提高Zn/Mg值，研制出了ZK60和ZK61合金，使合金的焊接性和工藝性能提高，但是降低了很大的強度。同時期內，前蘇聯也研制出了1915、1933合金，強度也是偏低。為了克服強度低的缺點，20世紀70年代又研制出7020合金，具有高強度，焊接性好的性能。以后，人們把注意力集中在了Al-Zn-Mg系鋁合金上。20世紀80年代初，美國科學家先后在7075合金的基礎上，為了解決實際生產中抗應力腐蝕敏感性較高的問題，以及滿足某些特殊需要，調整了部分合金元素的含量，發展了許多新型合金。
相比之下，國內對7系鋁合金的研究起步較晚，在20實際80年代，由東北和北京研究院研制Al-Zn-Mg 系鋁合金。目前主要有7050、7075、7175等合金產品。20世紀90年代中期，北京航空材料研究所采用常規半連續鑄造法試制出7A55超高強鋁合金，近幾年又研制出強度更高的7A60合金。而在Al2Zn2Mg 系鋁合金的研制上，國內基本都是仿制，很少自行開發。
3、鋁合金疲勞的分類
3.1 疲勞的定義
疲勞斷裂是由于交變載荷、應力下引起的延時斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料的抗拉強度σb，有時甚至低于屈服強度σs。一般情況下，疲勞破壞不發生明顯的塑性變形，其變形主要是脆性斷裂，是一種沒有預兆、十分危險的破壞形式，難以檢測、預防。
鋁合金的疲勞，按疲勞破壞原因可分為三類：熱疲勞、腐蝕疲勞和機械疲勞。
3.2 熱疲勞
鋁合金的熱疲勞是在交變應力和熱應力共同作用下產生的疲勞破壞。外部約束和內部約束是產生熱疲勞的兩個必要條件，外部約束即阻礙材料自由膨脹，內部約束即產生溫度梯度，使材料膨脹，但由于約束從而產生熱應力與熱應變，經過一定的循環次數，導致裂紋的萌生、擴展。張文孝等研究了LD8鋁合金的同相和異相熱疲勞特性，應用彈塑性斷裂力學方法對不同狀態下熱疲勞壽命進行了探討。
3.3 腐蝕疲勞
長期在化工行業使用或者海水中使用的金屬材料，處于腐蝕的環境中，此外還承受交變載荷作用，與正常環境下的金屬材料相比，腐蝕性環境和交變載荷同時作用，會顯著降低材料的疲勞性能，從而產生構件的破壞，以至于最終斷裂。
宮玉輝等研究了不同腐蝕環境對7475-T7351鋁合金疲勞性能及裂紋擴展速率的影響，發現腐蝕環境對裂紋擴展有較明顯的加速作用，但不同環境腐蝕和不同溫度對材料的低周疲勞性能影響不大。王成等將不同濃度硅酸鈉添加到鋁合金中，發現其可以抑制鋁合金的點蝕、減少裂紋源，提高鋁合金在氯化鈉溶液中抗點蝕的能力及腐蝕疲勞壽命，但對鋁合金的腐蝕疲勞裂紋的擴展無法抑制。
3.4 機械疲勞
機械零部件在外加應力或者應變作用下將會產生機械疲勞，經長時間工作后，即使所受應力小于材料屈服點，仍然會產生裂紋，或者產生斷裂。在循環應力水平較低時，彈性應變起主導作用，此時疲勞壽命較長，稱之為高周疲勞，也稱應力疲勞；在循環應力水平較高時，塑性應變起主導作用，此時疲勞壽命較短，稱之為低周疲勞，也稱塑性疲勞。李睿等對2024-T3鋁合金孔板進行了高低周復合疲勞試驗，研究發現隨著高低周循環次數增大，復合疲勞壽命有顯著的降低，并建立了高低周循環次數和應力幅比與高低周復合疲勞壽命之間的關系式，但其只考慮了載荷循環次數對疲勞的影響，沒有全面綜合其他影響疲勞壽命的因素。
4、疲勞破壞過程及機理
金屬設備疲勞過程的開始，即疲勞裂紋的萌生稱為疲勞源。疲勞源是材料微觀組織永久損傷的核心，當裂紋開始萌生后，逐漸長大并與其它裂紋合并，然后形成肉眼可見的宏觀裂紋，稱為主裂紋，此時裂紋萌生階段結束。之后，進入裂紋擴展階段，首先開始穩定擴展，裂紋達到臨街尺寸后，隨著進一步的交變應力、應變作用下，金屬材料無法承受，裂紋開始突然間失穩，材料瞬間產生破壞，發生斷裂。簡而言之，疲勞破壞過程分為：裂紋萌生，裂紋擴展和失穩斷裂三個階段。每個階段具體如下：
裂紋萌生：由于應力集中，疲勞裂紋首先起源于材料內部微觀結構最薄弱的額區域，或者應力較高的區域。裂紋萌生初期，長度小于0.05mm~0.1mm，此裂紋稱為疲勞裂紋核。隨著疲勞進行，微觀裂紋逐漸發展成宏觀裂紋，肉眼可見。鋁合金材料疲勞裂紋萌生主要部位有滑移帶、晶界、相界面三種。
裂紋擴展：疲勞裂紋萌生結束后，將進入裂紋擴展階段。此階段又分為兩個部分，首先是裂紋沿主滑移系，以純剪切方式向內擴展，擴展速率極低，其延伸范圍在幾個晶粒長度之間。其次，在晶界的阻礙作用下，使擴展方向逐漸垂直于主應力即拉應力方向，并形成疲勞條紋或稱為疲勞輝紋，一條輝紋就是一次循環的結果。
第一階段的裂紋擴展速度慢，長度小，所以該階段的形貌特征并不明顯。而第二階段的穿晶擴展，其擴展速率隨循環周次增加而增大，擴展程度也較為明顯，多數材料的第二階段可用電子顯微鏡觀察到疲勞條紋，有些甚至能用肉眼觀察到。不同材料的疲勞條紋各不相同，形貌也是種類繁多，有與裂紋擴展方向垂直略呈彎曲并相互行的溝槽狀花樣， 有斷口比較平滑而且分布有貝紋或海灘花樣，有時則呈現以源區為中心的放射線，疲勞條紋是疲勞斷口最有代表性的特征。
一般情況下，疲勞裂紋擴展區在整個斷口所占面積較大。疲勞裂紋擴展階段是材料整個疲勞壽命的主要組成部分。不同鋁合金材料裂紋擴展的兩個階段也有不同的壽命，在材料表面光滑試件中，第一階段的擴展時間占整個疲勞壽命的絕大部分；而在有缺口的試件中，第一階段幾乎可以忽略，第二階段的傳播是整個疲勞裂紋擴展的壽命。
裂紋失穩：疲勞裂紋擴展到一定長度即臨界長度時，材料表面不足以承受外部載荷，在下一次加載中將發生失穩擴展，導致快速斷裂。這一階段是構件壽命的最后階段，失穩擴展到斷裂這一短暫過程對于構件壽命的貢獻是可以忽略的，裂紋最后失穩快速擴展所形成的斷口區域稱為瞬斷區，材料性質不同，斷口相貌也截然不同。
5、疲勞壽命的影響因素
5.1 材料內因
疲勞特性與合金成分有關，成分決定了合金組織以及強化效果；同時，合金的顯微組織也冶金過程中的缺陷也對合金疲勞有很大程度的影響，裂紋源可能由夾雜物，晶粒大小，晶粒偏析，晶界疏松引起。張濤等研究了Al-Si系鑄造鋁合金疲勞性能，發現鑄造過程難以避免的孔洞及Si顆粒大小、形貌均對鑄造鋁合金材料疲勞裂紋的萌生有重要影響；Zhai通過對鋁鋰合金疲勞性能各向異性的研究發現，在軋制方向強度低，疲勞性能也最差，疲勞裂紋多沿方向萌生，而在厚度方向強度較高，鮮見裂紋的萌生，疲勞性能也自然最佳；時效處理是改善鋁合金性能的有效途徑，由于其改變了合金微觀組織結構，自然也對合金疲勞特性影響頗大；Sharma等通過對不同時效處理后的AA 2219鋁合金進行疲勞試驗，結果表明自然時效及欠時效處理后的合金疲勞性能較好，鮮見疲勞裂紋的萌生；而峰時效和過時效處理后的合金，其多出萌生疲勞裂紋切裂紋擴展速率較高，疲勞性能不佳。
5.2 構件狀態
合金的疲勞特性也跟表面粗糙度、材料尺寸、幾何形狀。表面凹凸。壁厚均勻性有關。
Suraratchai等對影響鋁合金疲勞壽命的因素進行了研究，其對合金表面粗糙度進行了有限元分析，結果表明由于材料表面凹凸不平而引起的應力集中，是損害疲勞壽命的源頭；肖驥研究了7475鋁合金板材的疲勞性能，在疲勞試驗中表現最好的T-L平面上的試件進行了噴丸處理，結果發現，經過噴丸處理之后，并不是一定提高了試件的疲勞強度，在噴丸處理的過程中，在引入殘余壓應力的同時，也破壞了試件表面的平整度。殘余壓應力將提高試件的疲勞強度，而過高的粗糙度，將使試件表面很容易成為裂紋源。
5.3 工作條件
載荷的大小和加載方式及加載頻率是合金材料疲勞壽命的決定性因素。劉崗等研究了2E12鋁合金在不同應力水平下的疲勞性能及疲勞裂紋擴展速率，結果表明缺口的存在降低了疲勞強度，隨著應力比的提高，疲勞強度也大幅度改善；蹇海根等通過金相、電鏡掃描顯微技術對比了不同應力下鋁合金的疲勞斷口顯微組織，發現疲勞裂紋萌生處與材料表面的距離隨加載應力升高而減小，加載應力越高，疲勞源區面積越小，裂紋擴展區的疲勞輝紋間距越大，且隨著應力的增大，斷口上疲勞裂紋擴展區的面積減小，瞬斷區的面積增大。同時材料壽命也受工作環境如溫度、周邊介質等因素影響。Gasqueres等通過對AA 2024鋁合金疲勞裂紋擴展規律的研究發現，正常室溫下，疲勞裂紋擴展進入第二階段后，將環境溫度調至223 K，裂紋長大又轉為第一階段的擴展規律，而且此時裂紋的擴展受到溫度和氣壓的共同影響。鋁合金疲勞特性的影響因素很多，從單一或幾個因素的考慮對鋁合金材料疲勞壽命進行研究并不準確，建立相應的科學模型，綜合考慮所有因素從而精確地預測材料的疲勞壽命是需要進一步深入研究的重點。具有效率高、成本低、工藝簡單等優點，適用于多種顆粒以及多種基體，此方法總體上具有一定競爭力。
6、疲勞壽命的估算方法
因材料疲勞多數是不可預測，不可檢測到的塑性斷裂，因此造成的損失不可估計，所以材料疲勞壽命的估計一直以來是重要研究問題。幾百年內，各國科學家一直在探索、研究。
1945年Miner在對疲勞累積損傷問題進行大量試驗研究的基礎上，將Palmgren于1924年提出的線性累積損傷理論公式化，形成了Palmgren-Miner線性累積損傷法則；1963年Paris在斷裂力學方法的基礎上，提出了表達裂紋擴展規律的Paris公式，此后又發展有損傷容限設計；1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基礎上，提出了根據應力-應變分析估算疲勞壽命的方法——局部應力-應變法，還有許多出色的研究人員提出的。諸多計算方法，以下簡單介紹現今在疲勞壽命估算方面三種主要運用的方法。
累積損傷理論
Miner理論是典型的線性累計損傷理論，Miner公式為：
其中n表示不同大小的載荷，N表示不同載荷單獨作用下出現裂紋的破壞次數，N表示總的循環次數，即疲勞壽命。當循環周期內載荷對構件所造成的損傷累計加至1時，構件即發生破壞；其簡單直觀，在工程上被廣泛應用，并由此衍生了最早的抗疲勞設計方法——名義應力法，其以材料或零件的S-N曲線描述材料的疲勞特性，根據應力集中系數和名義應力，結合線性累計損傷理論進行疲勞壽命計算。但名義應力法以材料力學和彈性力學為基礎，不考慮疲勞過程中的塑性變形，對發生高應力局部屈服的疲勞破壞并不適用。
局部應力-應變法
局部應力-應變曲線法認為構件的整體疲勞性能，取決于最危險區域的局部應力應變狀態。其先實驗測定應力、應變和疲勞斷裂壽命的曲線和實驗數據，接下來結合Neuber公式進行缺口時間在隨機加載下的局部應力-應變響應分析，進行每一次循環的損傷計算，最后按線性累積模型求得疲勞損傷量，估算出壽命。修正后的Neuber公式為：
其中ΔS、Δσ、Δε分別為名義應力幅值、局部應力幅值和局部應變幅值。缺口疲勞系數是一個靜態參數，無法精確求解。名義應力法沒有考慮疲勞過程中的塑性變形，局部應力-應變法彌補了這一缺陷，只要掌握材料試樣的循環應變、應力與壽命關系的曲線等少量實驗數據，通過對應力集中部位的應力應變分析后，就可以預計構件的疲勞壽命。但其運用的Neuber公式是一個經驗公式，人為誤差較大，而近年來興起的彈塑性有限元法較為精確，值得推廣。
損傷容限法
斷裂力學是損傷容限法的基礎，實際上所有工程構件都有微觀缺陷，這一固有缺陷可以視其為一個初始裂紋，裂紋擴展壽命便是由初始裂紋擴展到臨界裂紋的應力循環數。疲勞裂紋臨界尺寸的選擇根據材料性質及工作狀態等因素確定，通常用裂紋擴展速率公式來描述不同結構與不同外載荷作用下的裂紋擴展行為，其擴展速率不僅與裂紋長度有關，也與載荷大小、加載方式等因素有關。
7、疲勞斷口分析
以高強鋁合金斷口形貌分析為例，如A7N01鋁合金，是Al-Zn-Mg-Cu 熱處理強化型的高強度鋁合金，綜合性能較為優異，具有高強度、較好的擠壓性和耐蝕性。目前較多的應用在高速列車主要零部件上。
試樣幾何尺寸如下：
7.1 疲勞宏觀斷口分析
由實驗可知，T型接頭焊趾處，是試樣斷裂的主要部位，因為在疲勞過程中，焊趾處出現應力集中，通過對焊接接頭的硬度分析，可以得知在距接頭中心線位置附近，大約10mm處，已進入熱影響區的軟化區域，即焊趾所處的區域。如果采用惰性氣體保護，可以降低應力集中，從而降低材料的疲勞。
焊趾處出現疲勞裂紋源后，形成裂紋，然后向接頭中心處擴展。這是由于焊接中，靠近中心的部位經歷了來自左右兩側焊縫的熱循環處理，組織粗大，強度降低。當多個裂紋源在焊趾表面出現時，裂紋將會以放射狀擴展，向四周輻射，此時，多個微裂紋聚集到一起并合并成一個裂紋，此時微裂紋停止擴展，主裂紋繼續，當擴展到材料臨界裂紋長度時，產生失穩斷裂，材料斷口粗糙不平。在斷口上，疲勞穩定擴展區占到整個面積的一半，疲勞裂紋源面積較小。
7.2 疲勞微觀斷口分析
由掃描電子顯微鏡可以觀察到疲勞裂紋源，以面心立方為例，合金中存在許多滑移系，比較容易產生滑移變形。當裂紋源產生，材料表面產生滑移，出現滑移帶，在交變載荷作用下，試樣的軸向拉應力較大，加上焊趾處應力集中，所以在焊趾處通過滑移產生較大的塑性變形。由于交變載荷不斷反復， 滑移面被破壞，便出現微裂紋，微裂紋長大，就形成了小裂紋。小裂紋形成降低了其他裂紋擴展速率，因此材料往往存在擴展停止的其他小裂紋。
在裂紋擴展中，在晶界、晶粒、金屬基體交界處會萌生裂紋，這是為了達到自由能平衡，這樣的結果是使裂紋擴展到各個晶面，看起來像羽毛狀的形狀。同時，裂紋在擴展過程中，相鄰裂紋長大的方式是一種撕裂的方式，存在明顯塑性變形，較高的載荷在第二相粒子上作用，使粒子破裂，裂紋不斷張開和閉合，形成了疲勞條帶，導致斷口上出現凹陷和犁溝。
疲勞裂紋的穩定擴展特征包括出現疲勞輝紋，通常，疲勞輝紋的數目代表了疲勞循環的次數，每當出現一次循環，便出現一條疲勞輝紋。因此，可以通過一定距離內的輝紋條數，大致判斷出裂紋擴展速率。其次，另外一個特征邊上二次裂紋，即由斷口表面向內部擴展的裂紋。二次裂紋和疲勞輝紋基本上平行，擴展方式為沿晶擴展，二次裂紋一般情況下，分布較為分散，同一方向，時隱時現。
疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后，材料出現失穩擴展，形成瞬斷區。斷口表面存在撕裂棱和韌窩。斷裂呈現準解理斷裂的特點就是存在撕裂棱，而韌性斷裂的標志便是存在韌窩。可以推斷出，疲勞斷裂瞬斷區為準解理斷裂和韌性斷裂的混合斷裂。
