Al-Zn-Mg合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展行为的微观结构影响机制研究

本研究针对Al-Zn-Mg合金FSW（Friction Stir Welding）接头在循环载荷下的疲劳失效问题，通过分析不同区域（BM/NZ/AS-NZ/RS-NZ）的微观结构（晶粒取向、第二相粒子、塑性变形）对FCP（Fatigue Crack Propagation）行为的影响，发现AS-NZ因连续LAGBs（低角度晶界）形成快速扩展通道而FCP速率最高，BM则因高塑性表现出最优抗疲劳性。成果为提升轻量化合金焊接结构安全性提供理论依据。

　　

在交通运输领域，铝合金的轻量化优势可带来显著的燃油经济性提升，其中Al-Zn-Mg合金因其优异的力学性能和耐腐蚀性成为重要结构材料。然而，搅拌摩擦焊（FSW）接头在服役中常因循环载荷导致的疲劳失效引发事故，其根本原因在于焊接区域与母材（BM）的微观结构异质性。尽管已有研究关注FSW接头疲劳行为，但关于前进侧（AS）与后退侧（RS）因独特塑性流动机制产生的微观结构差异及其对疲劳裂纹扩展（FCP）的影响机制仍存在认知空白。

为解决这一问题，由山东理工大学等机构的研究人员开展了Al-Zn-Mg合金FSW接头FCP行为研究。通过分析不同区域（BM、熔核区NZ、前进侧熔核区AS-NZ、后退侧熔核区RS-NZ）的晶粒尺寸、第二相粒子和晶界特征，揭示了微观结构对FCP速率的影响规律。研究发现，AS-NZ因连续低角度晶界（LAGBs）形成快速扩展通道而表现出最高FCP速率，而BM则因高塑性变形能力具有最优抗疲劳性能。该成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》，为优化焊接工艺参数、提升接头疲劳寿命提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：采用旋转速度400 rpm、行进速度200 mm/min的FSW工艺制备7N01铝合金对接接头；通过电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向；结合疲劳裂纹扩展速率测试与显微组织观察，建立微观结构-FCP行为的关联性。

研究结果

1. 微观结构特征：NZ呈现细晶组织且晶粒沿同一方向伸长，AS-NZ存在显著晶粒取向，RS-NZ则分布大量大晶粒、小晶粒和第二相粒子。
2. 第二相粒子影响：BM中均匀分布的Si/Fe富集相粒子通过引发裂纹偏转影响FCP路径；RS-NZ的第二相粒子通过改变裂纹方向加速FCP速率。
3. 晶界作用机制：AS-NZ的连续LAGBs形成快速扩展通道；NZ的细晶界则形成裂纹扩展通道并促使裂纹转向。

结论与意义
研究明确了FSW接头各区域FCP抗性排序：BM > NZ > RS-NZ > AS-NZ，其中AS-NZ因特殊晶粒取向成为疲劳薄弱区。创新性发现包括：BM中裂纹主要沿晶界和{111}滑移面扩展；NZ细晶组织通过形成扩展通道改变裂纹路径；第二相粒子通过诱发局部应力集中影响FCP速率。该研究首次系统揭示了AS/RS-NZ的微观结构-FCP行为关联机制，为航空航天、轨道交通等领域铝合金焊接结构的设计与寿命预测提供了关键科学依据。