太原理工大学 International Journal of Fatigue SMRT 诱导的梯度纳米结构及残余压应力场对 FSW 7075 铝合金疲劳行为的调控作用

搅拌摩擦焊能够为铝合金提供较高的静态强度，但通常会导致疲劳强度的显著下降。通过表面机械滚压处理，在7075-T651铝合金的搅拌摩擦焊接接头上形成了近乎抛光、具有梯度纳米结构的表面层以及较高的残余压应力。单轴疲劳试验结果表明，经表面机械滚压处理的焊接接头疲劳性能得到显著提升，疲劳寿命提高了两个数量级，且疲劳失效模式由表面萌生转变为内部萌生。透射电子显微镜分析表明，Al18Ti2Mg3组成相是内部裂纹萌生的主要原因。此外，本文还讨论了疲劳性能提升的机制以及表面机械滚压处理的作用。该研究结果为大幅弥补材料因焊接而导致的疲劳抗性劣化提供了一条潜在途径。

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.02.023

焊接技术在现代制造业中具有不可替代的地位，尤其适用于金属结构的永久连接。然而，焊接过程会引入几何、微观结构及力学性能上的不连续性，导致材料疲劳强度显著下降，降幅通常高达50%甚至90%。考虑到疲劳失效的严重性，如何有效提升焊接接头的疲劳抗性，一直是材料与结构完整性研究领域的重要课题。

疲劳裂纹通常萌生于材料表面，因此表面状态对疲劳性能至关重要。传统的改善手段如去除焊缝余高、钨极氩弧修整、打磨等，可降低表面应力集中，使焊接接头疲劳寿命提升约2至10倍。此外，引入表层残余压应力也被证明能有效抑制疲劳裂纹的萌生，常见的后处理方法包括喷丸、激光冲击强化和超声冲击处理等。然而，这些方法在提升疲劳性能的同时，往往伴随着表面微裂纹、折叠、过喷丸导致的表面粗糙化等问题，限制了其进一步应用。

晶粒细化是提升材料疲劳性能的另一重要途径。研究表明，通过剧烈塑性变形制备的超细晶材料在高周疲劳下表现出优异的强度，但其低周疲劳性能往往因延性下降而受限。近年来，具有双峰晶粒分布的超细晶材料因其良好的强塑性匹配，为改善低周疲劳性能提供了新思路。

表面机械滚压处理作为一种新型表面改性技术，可在材料表层形成梯度纳米结构，由表及里依次为纳米晶层、变形晶层和粗晶层，从而实现表层强化与内部韧性的协同优化。已有研究在铁基合金、钛、铜、镍等多种材料中证实，梯度纳米结构表层可显著提升疲劳极限。

值得注意的是，尽管SMRT在母材中展现出优异的强化效果，但其在焊接接头中的应用尚未见报道。焊接接头本身存在复杂的微观组织不均匀性，SMRT是否仍能有效提升其疲劳性能，以及其作用机制如何，是亟待研究的重要问题。

本研究选取7075-T651铝合金为对象，该合金在航空航天领域应用广泛，但长期以来被认为难以焊接。搅拌摩擦焊的出现使其焊接成为可能，但焊接后的疲劳性能仍远低于母材。本文尝试将SMRT应用于FSW接头，系统研究其对微观结构、残余应力分布及疲劳行为的影响，旨在探索一条有效弥补焊接导致疲劳劣化的新途径。

图1. 双面搅拌摩擦焊示意图，包含（a）第一道焊缝和（b）第二道焊缝。

图2. 机械加工及后续表面机械滚压处理示意图（尺寸单位：mm）。

图3. 双面搅拌摩擦焊接头的横截面及对应的硬度分布。

图4. 表面机械滚压处理前后表面形貌对比：（a）车削痕迹的去除，（b）标距段横截面显微组织，包含纳米晶层、变形晶层和粗晶层，（c）粗晶层的电子背散射衍射结果，（d）纳米晶层，（e）变形晶层。

图5. （a）表面机械滚压处理接头的晶粒结构及（b）微观应力分布。

图6. （a）表面机械滚压处理样品的显微硬度及残余应力分布，（b）母材、焊态接头及表面机械滚压处理接头的拉伸曲线。

图7. 母材、焊态接头及表面机械滚压处理接头的应力-寿命曲线，显示在长寿命区间内疲劳寿命提升超过两个数量级（椭圆框内）。

图8. 焊态接头（a-c）与表面机械滚压处理接头（d-f）在最大应力330 MPa下的疲劳断口扫描电镜图像，均表现为表面萌生模式。

图9. 表面机械滚压处理接头在最大应力300 MPa（a-c）和260 MPa（d-f）下发生内部萌生开裂的疲劳断口扫描电镜图像，均呈现“鱼眼”特征。

图10. 采用聚焦离子束（a）从颗粒/基体界面处制备的透射电镜薄片，（b）厚度均匀约为40 nm。

图11. （a）透射电镜图像，（b-f）位置D1至D5对应的选区电子衍射花样，（g）Al18Ti2Mg3晶胞及其在三个不同晶带轴下的模拟选区电子衍射花样。

图12. （a）透射电镜图像及（b）高分辨透射电镜图像显示滑移带，（c）局部区域（含滑移带）及（d）不含滑移带的高分辨透射电镜放大图像，（e-f）对应的快速傅里叶变换花样。

图13. （a）α-Al/Al18Ti2Mg3界面的高分辨透射电镜图像，（b）对应的快速傅里叶变换花样，（c）经滤波处理后的增强图像，（d）进一步处理后的原子分布图像，显示界面处的结构无序区。

本研究以航空航天领域广泛应用的7075-T651铝合金为对象，系统探究了表面机械滚压处理对搅拌摩擦焊接接头微观结构、残余应力分布及疲劳性能的影响。研究围绕以下几个核心问题展开：

1. SMRT对焊接接头表面状态与微观组织的调控

• 通过多道次SMRT处理，在FSW接头表面构建了厚度约500 μm的梯度纳米结构层，由表及里依次为纳米晶层（平均晶粒尺寸约250 nm）、变形晶层和粗晶层。

• SMRT有效消除了原始加工刀痕，获得了近乎抛光的表面，显著降低了表面应力集中。

• 值得注意的是，SMRT在焊接接头不同微观区域（如焊核区、热力影响区、热影响区）均能形成相对均匀的梯度纳米结构，一定程度上消除了焊接导致的表面组织不均匀性。

2. SMRT对力学性能与残余应力的影响

• 处理后的表层硬度由180 HV提升至260 HV，增幅达43.3%。

• 表层引入了高达-600 MPa的残余压应力（峰值位于深度约40 μm处），压应力层深度约170 μm。

• 拉伸性能方面，SMRT使焊接接头的抗拉强度由455 MPa小幅提升至470 MPa，屈服强度由411 MPa提升至426 MPa，但延伸率略有下降（从14.7%降至13.3%），表明SMRT在保持较好塑性的同时实现了表层强化。

3. SMRT对疲劳性能的显著提升

• 疲劳试验结果显示，在低应力幅（最大应力低于307 MPa）条件下，SMRT处理使FSW接头的疲劳寿命提升了约两个数量级，甚至超过了母材的疲劳性能。

• S-N曲线呈现“双线型”特征，拐点出现在最大应力约307 MPa处：高于该应力时，疲劳失效以表面萌生模式为主；低于该应力时，失效模式转变为内部萌生，并伴随“鱼眼”特征的出现。

文章从三个层面系统揭示了SMRT提升焊接接头疲劳性能的内在机制：

1. 表面抛光效应：消除应力集中源

焊接接头表面通常存在机械加工痕迹、焊缝余高等微观几何不连续，这些部位在循环载荷下易成为应力集中点和疲劳裂纹萌生源。SMRT通过多道次滚压处理，将表面粗糙度降至极低，形成近乎抛光的表面，显著减少了表面缺陷处的应力集中，从而抑制了表面裂纹的早期萌生。

2. 残余压应力场：降低裂纹驱动力

SMRT在表层引入了深度约170 μm、峰值达-600 MPa的残余压应力。根据断裂力学理论，表面缺陷处的应力强度因子幅值可表示为：

ΔK_def_s = 0.65(σ_a + σ_r_s)√(π√A_def_s)

其中残余压应力 σ_r_s 为负值，有效降低了表面裂纹尖端的驱动力。然而，根据力学平衡要求，表层压应力必然由内部拉应力补偿。当外部载荷降低时，内部拉应力区的应力强度因子可能反而占优，这解释了为何在低应力水平下裂纹萌生位置由表面转向内部。

此外，高应力幅下残余压应力会发生循环松弛，这也是SMRT接头在高应力区仍以表面萌生模式失效的原因之一。

3. 梯度纳米结构：协同提升抗萌生与抗扩展能力

SMRT构建的梯度纳米结构实现了“表层高强度+芯部高韧性”的协同匹配：

• 表层纳米晶显著提高了表层屈服强度，根据Basquin方程 σ_a = σ_f′(2N_f)^b，疲劳强度系数 σ_f′ 与抗拉强度正相关，因此表层强化直接提升了疲劳极限。

• 晶界阻碍效应：超细晶粒中的大量晶界对位错运动和裂纹萌生形成阻碍，延长了裂纹萌生寿命。

• 梯度过渡：从纳米晶到粗晶的梯度变化避免了晶粒尺寸突变导致的应力集中，同时粗晶芯部保持了较好的韧性和裂纹扩展抗力，弥补了单一细晶材料在裂纹扩展阶段的不足。

4. 内部裂纹萌生机理：Al18Ti2Mg3相的作用

在低应力条件下，SMRT接头发生内部萌生断裂，裂纹源位于深度1~3 mm处的 Al18Ti2Mg3 粗大组成相。透射电镜分析表明：

• 该相与 α-Al 基体的界面存在约2 nm厚的结构无序区，晶格失配度高达88%以上，界面结合极弱。

• 在循环载荷下，颗粒内部产生滑移带，界面处位错累积导致界面脱粘，形成微裂纹。

• 裂纹首先在颗粒内部扩展，随后进入基体，形成“鱼眼”特征区，最终导致失稳扩展。

该内部萌生机制的存在，使得SMRT接头在低应力区避开了表层的疲劳敏感区，转而由内部缺陷主导失效，但由于内部萌生过程耗散了更多能量，反而获得了更长的疲劳寿命。