《International Journal of Fatigue》：Role of gradient nanostructures and residual-stress stability produced by ultrasonic surface rolling in high-temperature fatigue of ZL205A Al alloy
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摘要铝铜合金在高温循环载荷下常出现表面退化和疲劳相关失效，这限制了其长期服役可靠性。为了解决这一问题，采用超声表面滚压工艺（USRP）对ZL205A铝合金的表面进行改性，重点阐明USRP诱导的梯度微观结构如何提高高温疲劳抗力。利用多尺度微观结构分析和力学测试，表征了热机载荷作
摘要
铝铜合金在高温循环载荷下常出现表面退化和疲劳相关失效，这限制了其长期服役可靠性。为了解决这一问题，采用超声表面滚压工艺（USRP）对ZL205A铝合金的表面进行改性，重点阐明USRP诱导的梯度微观结构如何提高高温疲劳抗力。利用多尺度微观结构分析和力学测试，表征了热机载荷作用下表面及亚表面的微观结构演变、残余应力分布、加工硬化行为以及微观结构稳定性。在200°C下评估了拉伸和疲劳行为。随着USRP滚压道数的增加，具有明显梯度特征的纳米结构化表层逐步形成，伴随显著的晶粒细化、位错密度增加、压应力残余应力增强以及硬化层深度增加。对于经过六道滚压的试样，压应力残余应力层延伸至约607 μm，硬化层达到约218 μm，表面平均晶粒尺寸细化至约184.1 nm，且残余应力状态表现出优异的热机稳定性。在200°C下，该试样抗拉强度提高了8.9%，高温疲劳极限提高了15.5%，同时疲劳裂纹萌生位置从表面转移至亚表面。这些结果表明，高温疲劳性能的改善源于保留的压应力残余应力、稳定的细化微观结构、加工硬化以及表面完整性改善的协同效应。
引言
ZL205A是一种代表性的铝铜铸铝合金，以其优异的力学性能平衡而著称，具有低密度、高比强度、令人满意的延展性和优异的断裂韧性。凭借这些特性，它已被广泛应用于汽车领域、航空航天工程和国防系统等苛刻应用场景[1]。随着航空航天工业对轻量化结构材料的追求日益增加，铝合金预计将在未来应用中发挥更加突出的作用[2]。在实际服役条件下，疲劳失效仍然是工程构件最常见的损伤模式之一，且通常在近表面区域萌生。疲劳裂纹的萌生和扩展受表面层微观结构特征和力学状态的强烈影响[3]。因此，通过各种表面强化技术调控表面状态已成为减缓疲劳相关失效的有效策略[4]。对于几何形状复杂或难以检测的构件，这种方法尤其有利，因为表面改性提供了一种经济有效且技术可行的手段来提高服役可靠性[5]。
喷丸强化（SP）是工业实践中一种成熟的表面强化方法，被公认为推迟疲劳裂纹萌生和扩展的有效手段。这种改善主要通过引入压应力残余应力并在近表面区域形成加工硬化层来实现，二者共同导致疲劳性能的显著提升[6]。然而，SP工艺通常会导致表面粗糙度增加，这可能加速压应力残余应力的松弛，在严重情况下甚至会引起表面剥落或分层。这些缺点极大地限制了传统SP在工程应用中的有效性[7]。针对这些局限性，越来越多的关注转向了表面严重塑性变形（SSPD）方法，该方法能够在表层内生成梯度纳米结构（GNS）。代表性的SSPD方法包括表面机械研磨处理（SMAT）[8]、[9]，表面机械滚压处理（SMRT）[10]，表面机械磨削处理（SMGT）[11]，激光冲击强化（LSP）[12]，超声喷丸（USSP）[13]，超声冲击处理（UIT）[14]以及深滚压（DR）[15]。这些技术产生的GNS层通常具有明显的压应力残余应力和显著的加工硬化，两者都对提高疲劳抗力有实质贡献。大量的实验证据支持了这些方法的有效性。Yang等人[9]指出SMAT使Ti-6Al-7Nb合金的疲劳极限提高了约40%。Dai等人[12]揭示LSP在165 MPa应力幅下使含孔结构的疲劳寿命提高了192%。对于在650°C下测试的单晶高温合金带缺口试样（K = 3），USSP使疲劳极限相比未处理的带缺口状态提高了94.2%，相比光滑试样提高了17.4%[13]。经过UIT处理后，TC17钛合金在400°C、最大应力600 MPa下的拉伸-拉伸疲劳寿命提高了约4.81倍[14]。
由于各种SSPD技术固有的加工特性，其有效性和实际应用性存在显著差异。例如，UIT和DR通常诱导的压应力残余应力场相对较浅，且在近表面层内分布不均匀。相比之下，LSP的应用往往受限于其低能量转换效率和专用设备的高成本[16]。超声表面滚压工艺（USRP）是一种新开发的SSPD技术，融合了SMRT、SMGT、UIT和DR等多种成熟方法的有益特征[17]、[18]。通过将高频超声振动叠加在静态滚压载荷上，USRP实现了冲击效应和滚压效应的协同作用，从而更有效地实现表面改性。这种耦合机制促进了梯度纳米晶层的生成，同时在表面区域产生更大幅度和更深渗透深度的压应力残余应力场。此外，与未处理材料相比，USRP处理显著降低了表面粗糙度，凸显了其在提高工程构件疲劳抗力方面的强大潜力[19]。从实际制造角度来看，USRP相比传统SP也具有明显优势。加工设备可方便地集成到计算机数控（CNC）车床或铣床上，实现关键参数的精确调节，确保加工一致性和尺寸精度。因此，USRP有利于大规模工业化实施[20]。该技术在提高多种材料体系（如钢[21]、钛合金[22]和铝合金[23]）的疲劳性能方面已得到广泛应用。
目前关于USRP强化表面的研究主要集中在常温下的疲劳行为以及腐蚀服役条件下的疲劳行为，以及相关的强化机制。USRP引入的GNS层通过压应力残余应力、微观结构细化和表面加工硬化的共同作用来提高疲劳抗力[24]、[25]。Xu等人[18]研究了具有USRP诱导GNS表层的7B50-T7751铝合金，证明压应力残余应力是抑制腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展的主要因素，而GNS和表面加工硬化提供了额外的协同强化作用。Liu等人[22]采用因素分离方法报道，Ti-6Al-4 V合金的疲劳行为改善主要受压应力残余应力而非表面粗糙度的控制，并进一步表明机械抛光可以放大USRP处理的有益效应。然而，在热机耦合条件下，USRP诱导的梯度纳米结构表层的稳定性仍然是一个关键问题。在高温循环载荷下，表层中的细化晶粒、高密度位错和变形亚结构可能发生回复或粗化，从而削弱GNS层的强化效果。同时，USRP引入的压应力残余应力可能发生热松弛，降低其抑制表面裂纹张开和早期裂纹扩展的能力。这些变化可能使疲劳损伤过程从以表面裂纹萌生为主转变为由表层退化、残余应力松弛和亚表面损伤演化共同控制的更复杂过程。因此，USRP处理铝合金在高温疲劳条件下梯度纳米结构的稳定性、压应力残余应力的松弛行为以及它们对疲劳损伤演化的影响仍有待进一步阐明。
本研究采用USRP在ZL205A铝合金上引入梯度纳米结构表层以提高其高温疲劳性能。首先，系统地表征了热机载荷作用下USRP改性层的梯度微观结构、残余应力分布、加工硬化响应和表面完整性。随后，分析了热机载荷作用后的残余应力保持行为、梯度结构稳定性和疲劳断裂特征，以阐明USRP诱导的表层在高温疲劳期间的稳定性及其对疲劳损伤演化的影响。阐明了USRP处理ZL205A铝合金高温疲劳抗力改善的主导机制。
章节摘要
材料
采用棒材形式的ZL205A-T6作为基体材料（BM）。该合金的化学成分包括Cu（5.06 wt%）、Mn（0.39 wt%）、Ti（0.24 wt%）、Zr（0.13 wt%）、Cd（0.20 wt%）、B（0.02 wt%）和Si（0.03 wt%），其余为Al。图1(a)的SEM图像显示，其微观结构主要由平均直径约为95.4 μm的等轴晶粒组成。尺寸为0.6至16.2 μm的粗大Al2Cu（θ相）析出相分布在晶
梯度结构层的微观结构
图3展示了ZL205A在经过USRP处理前后截面微观结构的演变。由于超声冲击和滑动剪切应力的协同作用，表层内产生了显著的塑性变形。在该区域，晶粒表现出明显的取向偏转，沿变形方向被拉长，并经历堆叠和压缩——共同形成了特征性的流变形态。相比之下，
结论
本研究探讨了USRP对ZL205A合金微观结构、表面完整性、高温力学性能和疲劳性能的影响。主要结论如下：
- (1)
USRP成功地在ZL205A合金中引入了梯度纳米结构表层。随着滚压道数的增加，位错积累、小角度晶界形成和晶粒细化变得更加显著。对于USRP-6试样，最外层表面晶粒尺寸被细化至约184.1 nm。
- (2)
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（基金编号 52105408, 52075503）和中北大学研究生科技创新项目（项目编号 20252106）的资助。
王利进|卢辉辉|沈兴全|张一东|崔晶|曹鑫|王晓洋|李帅
中北大学恶劣环境下管道与孔结构智能制造与智能检测山西省重点实验室，太原 030051，中国
