《Materials Science and Engineering: A》：Effect of equal-channel angular pressing, cold rolling and their combination on the low-cycle fatigue performance of an Al-Mg-Mn-Sc-Zr-Cr alloy
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Al-6Mg-0.35Mn-0.2Sc-0.08Zr-0.07Cr合金经ECAP、CR及ECAP+CR处理后，其低循环疲劳性能随加工工艺显著变化：ECAP+CR组合因亚微米晶粒和极高位错密度实现最高高温幅（>0.5%）疲劳寿命，裂纹扩展区减小但Mg富集相（β相）引发次生裂纹促进能量耗散；ECAP单独处理因显微可延展性和最佳过渡寿命（Nt）表现均衡；而CR仅因变形带内损伤累积导致过早失效。该合金在高温幅下性能优于传统析出强化铝合金（如AA2024、AA2124、AA7075），验证了ECAP与冷轧协同强化的潜力。
M.R. 加齐佐夫 | S.V. 科马罗夫 | S.V. 切列布佐夫 | M.Yu. 加齐佐娃 | R.O. 卡伊比舍夫
俄罗斯圣彼得堡国立海洋技术大学（SMTU）激光与焊接技术研究所
摘要
本研究探讨了通过等通道角压（ECAP）处理、冷轧（CR）（变形量达75%）以及这两种工艺组合（ECAP+CR）得到的Al-6Mg-0.35Mn-0.2Sc-0.08Zr-0.07Cr（重量百分比）合金在单调载荷和循环载荷下的力学行为。通过Ramberg-Osgood关系式和Basquin-Coffin-Manson关系式对低周疲劳（LCF）进行了测试，以表征材料的循环应力-应变响应和疲劳寿命，并通过断口分析揭示了裂纹的起始和扩展机制。结果表明，加工工艺显著影响了材料的LCF性能。ECAP+CR处理后的样品在高应变幅度（ε_ac > 0.5%）下表现出最长的疲劳寿命，这归因于其精细的晶粒结构和较高的位错密度。断口分析显示，在这种条件下裂纹扩展面积减小；而Mg的偏聚以及沿变形诱导边界形成的富Mg颗粒（可能是β相）促进了二次裂纹的产生，从而有助于循环变形能量的耗散。相反，仅经过ECAP处理的合金则表现出最长的裂纹扩展阶段，这与其良好的微观延展性及最高的过渡寿命（N_t）有关。经过CR处理的样品由于变形带内的快速损伤积累而提前失效。与经过沉淀强化的合金（AA2024、AA2124、AA7075）相比，本研究中的非热处理合金在高应变幅度下表现出相当或更优异的LCF性能，表明显著的晶粒细化和冷加工效果可以媲美传统的沉淀强化方法。总体而言，ECAP+CR组合在高应变幅度下显著提升了疲劳寿命，而单独使用ECAP处理则在损伤容忍度和可预测的失效特性之间取得了最佳平衡，尽管其抗拉强度低于CR和ECAP+CR处理后的合金。
引言
Al-Mg合金因其良好的强度、耐腐蚀性和可焊性而在航空航天、海洋和汽车领域得到广泛应用[1]、[2]、[3]。向Al-Mg合金中添加过渡金属（如钪（Sc）、锆（Zr）和锰（Mn）可通过形成Al?(Sc,Zr)相干分散相和Al?Mn非相干分散相来进一步增强其力学性能[4]、[5]，这些分散相能够促进沉淀强化[4]、[5]，减缓位错运动，并在高温和循环载荷下稳定晶粒结构[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些改性的Al-Mg合金具有更好的服役性能、工艺性能和化学性能。通过优化加工工艺，可以充分发挥其潜力，使其成为替代航空级2XXX（Al-Cu）合金的有希望的选择[13]、[14]、[15]、[16]。
长期以来，将晶粒细化到亚微米级别被认为是通过Hall-Petch强化机制改善金属材料力学性能的有效策略[5]、[6]、[8]、[9]、[16]、[17]、[18]、[19]。在各种严重的塑性变形（SPD）技术中，等通道角压（ECAP）已成为生产具有高强度的细晶材料的一种有前景的方法[8]、[17]、[20]、[21]、[22]。ECAP通过简单剪切作用施加较大的均匀应变，从而显著细化晶粒并引发位错硬化[5]、[8]、[9]。然而，ECAP处理材料的疲劳行为仍是一个重要的科学和实际研究课题，因为尽管单调载荷下的强度提高，但由于加工过程中引入的微观结构和缺陷，疲劳性能并不总能得到相应提升[5]、[16]、[21]、[23]、[24]、[25]。
以往对ECAP处理的5056 Al-Mg合金的研究揭示了复杂的疲劳行为[18]、[26]、[27]、[28]。Vinogradov等人[26]指出，虽然ECAP处理提高了高应力幅度下的抗拉强度和疲劳寿命，但在低和中等应力强度因子下却未能改善高周疲劳极限，并导致裂纹生长速率加快。这种行为归因于细晶材料中粗糙度引起的裂纹闭合减少以及更直的裂纹路径，同时部分恢复的严重变形结构导致了循环软化[28]。Patlan等人[27]进一步证明，在ECAP后进行适度温度（150°C，15分钟）的短期退火可以显著提高延展性和低周疲劳（LCF）寿命，而不会引起明显的晶粒粗化。
此外，还研究了其他变形工艺对疲劳性能的影响。多轴锻造（MF）也可能具有良好的可扩展性，并且可以与传统轧制结合使用，以改善添加了过渡金属的Al-Mg合金的强度和延展性，从而形成超细晶（UFG）结构并控制金属间颗粒的分布[18]、[19]、[29]、[30]。Yogesha等人[31]研究了通过冷轧、冷槽轧制及其与温轧组合处理的5052 Al合金的高周疲劳行为。他们发现，经过冷槽轧制后再进行温轧的样品表现出最佳的疲劳性能，这是由于形成了纳米剪切带和约125纳米的亚晶粒，以及温轧过程中析出了β相（Mg?Al?）[32]。这些微观结构特征在循环载荷下能够有效吸收应变并阻碍位错运动。
尽管关于Al-Mg合金的研究较为丰富，但单独或组合使用等通道角压（ECAP）和冷轧对这些材料在低周疲劳性能的影响尚未进行系统研究。这些合金通过传统轧制或其他热机械处理方法在提高单调拉伸性能和疲劳性能方面显示出巨大潜力[13]、[18]，为用成本更低的金属材料替代商用沉淀硬化铝合金提供了可能。然而，不同加工工艺（单独使用ECAP、单独使用冷轧及其组合）在优化低周疲劳性能方面的相对有效性仍不明确，目前尚未进行全面的对比测试。迄今为止，实验表明，添加了过渡金属的Al-Mg合金在经过多种多轴锻造工艺结合冷轧和高压扭转处理后，在高周载荷（R = 0.1）下表现出优异的抗拉强度和疲劳抵抗力。其在完全反向载荷（R = -1）下的疲劳性能仅限于理论预测。
所使用的商用1575合金的化学组成为Al-6Mg-0.35Mn-0.2Sc-0.08Zr-0.07Cr（重量百分比），采用半连续铸造工艺，使用水冷铜模制造，模具横截面尺寸为160 × 400毫米，凝固速率为约75 K/s[11]。获得的铸锭在360°C下保温12小时后进行炉冷处理。
为机械测试和微观结构分析准备了四个样品：
1. 粗晶样品
CG样品以及经过CR、ECAP处理后的合金微观结构分别如图1a和2a所示。初始的CG微观结构在之前的研究中已有详细描述[11]：其由平均尺寸为43±20微米的等轴晶粒组成（图1a）。HABs（Hall-Petch界）的比例和平均晶粒错位角分别为约0.87°和约38°。如[11]所述，原始晶界被连续的Al?Mn颗粒网络覆盖。
为了建立统一的模型来预测合金的疲劳寿命，并便于与其他材料进行比较，采用了几种经验关系式。循环应力-应变响应通过Ramberg-Osgood方程进行表征[13]、[28]、[46]、[47]：
其中ε_ae和ε_ap分别为弹性应变和塑性应变幅度，σ_а为应力幅度，E为杨氏模量，K'和n'分别为循环强度系数和循环应变硬化指数。
本研究系统地研究了通过冷轧（CR）或等通道角压（ECAP）单独处理，以及这两种工艺组合（ECAP+CR）处理的Al-6Mg-0.35Mn-0.2Sc-0.07Cr合金的低周疲劳（LCF）行为。主要结论如下：
- 所研究合金的LCF行为和疲劳寿命取决于加工工艺。ECAP+CR处理后的样品表现出与CR和ECAP处理样品相当的疲劳寿命。
R.O. 卡伊比舍夫：撰写、审稿与编辑、资源管理、概念构思。
M.Yu. 加齐佐娃：撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验研究、形式化分析。
S.V. 切列布佐夫：撰写、审稿与编辑。
S.V. 科马罗夫：撰写、审稿与编辑、项目管理。
M.R. 加齐佐夫：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、资金筹集、数据管理、概念构思。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（项目编号075-15-2025-006，日期2025年2月26日）以及挪威科技大学（NTNU）自然科学学院（项目编号81617879）的财政支持。TEM分析使用NTNU的NORTEM设施（项目编号197405）完成。作者感谢NTNU物理系的Randi Holmestad教授和TEM Gemini团队的工作人员。
