研究与开发
铍铝合金室温拉伸及原位
疲劳失效分析*
王战宏1),2)*
*
王莉2) 吴艳青3) 曲选辉1)*
**
1)(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083) 2)(西北稀有金属材料研究院，宁夏石嘴山 753000)
3)(清华大学工程力学系，北京 100084)
摘 要: 通过室温拉伸试验和SEM 原位疲劳测试，研究了金属型复合材料铍铝合金的拉伸性能及拉伸和原位疲劳的断裂机制。结果表明，合金在室温下具有较好的拉伸性能，且对应变速率有明显的敏感性。拉
伸断裂是由脆性铍相的解理断裂和韧性铝相的延性断裂构成的混合型断裂。在拉O 拉疲劳载荷下，疲劳裂纹萌生于铍相颗粒，断裂模式仍由铍相的解理断裂和铝相的韧性断裂组成。关键词：铍铝合金；金属复合材料；原位疲劳试验；断裂；解理
Tensile test and SEM in situ fatigue failure analysis of beryllium -aluminum alloy at room temperature
Wang Zhanhong 1),2),Wang Li 2),Wu Y anqing 3),Qu Xuanhui 1)皮皮虾做法
1)(School of Material s Science and Engineering ,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)2)(N orthwest Rare M etal M aterials Rearch Institute,Shizuishan N ingx ia 753000,China)
3)(Department o f Engineering M echanics,T singhua U niversity ,Beijing 100084,China)
Abstract:T he tensile tests and SEM in situ fatigue obrvations have been conduct ed at room temper ature to investigate the tensile properties and fracture mechanism of beryllium -aluminum metal matrix composite 1T he results show that Be -A l alloy has satisfying tensile properties at room temperature and the tensile behav iors are nsitive to the st rain speed 1Fr actographic analysis of the specimens rev eal that the aluminum regions o f the material fail in a ductile fashion,while the ber
yllium reg ions exhibit a brittle cleavage type failure 1It is determined t hat the cracks initiate in t he grain of beryllium and propagates to t he aluminum matrix in SEM in situ fat igue process 1T he fatigue fracture mode is also compod of ductile type of aluminum and cleavage type of bery llium 1Key words:Be -Al allo y;metal matr ix composite;in situ fatig ue test;fracture;cleav ag e
*国防科工委资助项目
**王战宏(1968-)，男，高级工程师。E -mail:zhwang 4289@hotmail 1com
***曲选辉(1960-)，男，教授，主要从事粉末冶金新材料和新技术研究。E -mail:qux h@mater 1ustb 1edu 1cn 收稿日期:2006-06-09
铍铝合金具有轻质、比强度高、比刚度高、热稳定性好、高模量、抗腐蚀等特点，结合了铍的低密度与铝的易加工性和高韧性等许多优良特性，已经成为一种愈来愈重要的新型结构材料，在航空航天工业、计算机制造业、汽车工业等方面得到了较快的发展[1-3]。铍铝合金的开发始于20世纪70年代，美国核金属公司和洛克希德#马丁公司合作开发了成
分(质量分数)为62%Be O 38%Al 的洛克合金。斯达麦特公司开发了Berylcast 族铍铝合金，布拉什#威尔曼开发了AlBeMet 系列合金，在航天和航空领域用于替代铝合金或树脂基复合材料制作承载低应力的结构件，在民用方面也已应用于硬盘驱动器、一级方程式汽车刹车合叶片和焊接机上[2-6]
。铍铝合
掀盖头金以其优异的性能在国外已经在一些领域用作结构
第25卷第3期2007年6月 粉末冶金技术Powder Metallurgy Technology
Vol 125,No 13
Jun 12007
材料，因金属铍有毒，国内生产铍合金的企业为数不多，且多为生产铍的质量分数小于4%的低铍合金,
对铍含量高的铍铝合金的开发至今仍是空白。
笔者针对热等静压方法制备的铍铝合金材料，研究了室温下材料的单轴拉伸性能和疲劳性能，通过对应力控制的疲劳试样的表面实时SEM观测，比较了疲劳裂纹的扩展及断口形貌，结合宏观的疲劳性能，对裂纹形成及长大机制进行了定性的分析，试图揭示材料破断失效的微观机制。
1试验材料及方法
试验合金由西北稀有金属研究院制备，其化学组成(质量分数):Be为62%,Al为38%。铍粉的平均粒度为7158L m，铝粉的平均粒度为10L m。合金采用冷等静压和热等静压工艺制备，温度为700e。
合金试样经过机械研磨和抛光后，采用扫描电镜观察其显微组织；用Instron4505拉伸仪测试拉伸试样的室温单轴拉伸性能，取两种不同的加载速率；利用SS O550扫描电镜(附带疲劳试验台)对表面抛光的试样进行疲劳试验，加载方式进行拉-拉疲劳(施加在样品上的最大和最小循环应力都是拉应力)，其中R=R m i n/R max=011，频率f=3H z；用扫描电镜观察分析拉伸试样和疲劳试样断口形貌。
2试验结果及讨论
211试验合金的组织
由于铍和铝的互溶度非常小，它们的熔点相差近630e，因此铍铝合金的显微组织是由完全分离的铍相和铝相组成，类似于由纯铍和纯铝构成的金属基复合材料的组织，如图1所示，黑色的铍相和白色的铝相相互分离。铍相以尺度不等的颗粒分布于连续的铝相基体当中，没有明显的方向性。铍相颗粒的形状不规则，尺寸也不均匀，一般小于10L m。212合金的室温拉伸性能及失效分析
图2是铍铝合金试样在室温下的单轴拉伸典型应力-应变曲线。可见，合金具有应变速率的敏感性，且呈现出无颈缩的明显应变硬化性质。在不同的应变速率下，抗拉强度和拉伸塑性有所不同，应变速率
较小时的抗拉强度略小于应变速率大的抗拉强度，但拉伸塑性的变化较大，伸长率明显增大。从室温抗拉强度和塑性的试验结果看，多个试样的平均
测试结果为:R b=30418MPa,R012=22217MPa,D=312%，已经超过了美国同类产品的标准(R b\ 262MPa,R012\212M Pa,D\2%)。
图1铍铝合金的SEM显微组织
Fig11SEM micr ostructur e of Be-Al alloy
图2不同应变速率下的室温单轴拉伸曲线Fig12Comparison of the room temperature uniax ial tension characters at differ ent strain-rate levels 图3(a)为一拉伸断裂试样起裂源处的形貌。由铍晶粒的棱柱滑移系{1120}启动形核微裂纹，形成纤维束状形貌。一般地，棱柱面解理的发生是由于基面滑移和基面解理受到抑止的缘故，这可能是由于{1010}棱柱面的滑移位错聚合而使裂纹形核，两组棱柱滑移面上滑移位错塞积、聚合而形成裂纹。对于由两相组成的铍铝合金，铝相对纤维状解理台阶有阻碍作用，导致棱柱面解理裂纹受阻，对提高材料韧性有好的作用。图3(b)为单轴拉伸试样断口的表面形貌，裂纹起裂区与扩展断裂区的形貌完全不同。铝相表现为明显的韧性断裂，局部韧窝特征显著。由于铍的密排六方晶格滑移系的特点以及铝相对铍相脆性裂纹的钝化作用，使得铍铝合金有较为复杂的断口形貌，铍相除了大量呈现沿基面的脆性解理外，还包含沿{1012}孪晶界的沿晶破坏模式，总体表现为由脆性铍相的解理断裂和韧性铝相的延
164粉末冶金技术2007年6月
性断裂构成的混合型断裂。
(a)试样断裂裂纹源处形貌;(b)单轴拉伸试样断口
图3 室温拉伸断裂裂纹源和断口形貌
Fig 13 T he crack sour ce and fr actur e morpholo gy at RT tension
213 合金原位疲劳断裂分析
图4是正弦波载荷下的扫描电镜原位疲劳测试过程中跟踪观察的试样表面的变化情况，最大加载应力为R max =220M Pa 。图4(a)为疲劳试验开始前试样的原始表面。当疲劳周次N =10000时表面仍没有
观察到明显的裂纹，但大块的铍相颗粒已有较为显著的滑移发生，如图4(b)中央的铍颗粒所示。图4(c)、4(d)分别是疲劳周次N =15000和N =35000时试样表面的一条裂纹，二者之间几乎没有
变化，而且直至疲劳周次达N =48000时破断为止。由于铍铝材料的组织比较细小均匀，不象一些含有较大尺寸非金属夹杂物的材料，在原位疲劳测试时观测目标明确，很容易得到初始时的裂纹形核，但试验中没有观察到表面裂纹形成的初始时刻。如图4所示在观察到裂纹后，裂纹并没有明显的扩展现象，因此裂纹应该是向材料内部扩展。但也注意到，表面上的裂纹形成以后,
基本上是沿铝相蔓延。
(a)N =0;(b)N =10000;(c)N =15000;(d)N =35000
图4 最大应力为220M Pa 时的表面疲劳裂纹变化
Fig 14 T he grow th o f surface fatigue crack at max imum stress 220M P a
从观察到的结果来看，可能是由于铍相和铝相界面结合强度足够强，裂纹形核时间就会较长，裂纹
形核应该是在铍晶内滑移变形启动之后发生在铍晶粒内的某个晶面上。这种在铍晶粒内部发生裂纹形
因数倍数的概念165
第25卷第3期 王战宏等：铍铝合金室温拉伸及原位疲劳失效分析
核的机制会导致材料呈现高强度和低塑性，同时也提高了材料抵抗疲劳的能力。萌生后的裂纹有一个缓慢的扩展过程。当表面裂纹产生后，在稳定扩展阶段主要向纵深方向扩展，该扩展方向是受局部塑性变形影响，由于铍铝合金中铍的密排六方基面容易发生脆性解理，在材料内部裂纹扩展方向有可能变为沿着基滑移面方向，当纵深方向的裂纹扩展到临界尺寸时裂纹的扩展开始变为由主应力方向控制，
即向前扩展，最后的断口呈现出撕裂型。图5是与图4相匹配的疲劳试样的断口形貌，与较大塑性变形量的拉伸断口明显不同。铝相的变形是逐渐累积起来的，因此铝相没有象图3一样表现为尖锐的撕裂楞。从断口上可以看出，铍相颗粒
(或晶粒)被铝相所包围，呈现为平滑的铍相晶内解理面和少量的铝相韧性断裂特征共存。低倍下看去较平滑的断口在更高倍数下是极不规则的。在疲劳应力作用下，疲劳强度主要受铍相颗粒影响[7]，根据纯铍的断裂机制，铍的脆断主要沿3个不同的晶面：基面、棱柱面和孪晶界。铍不仅沿着基面滑移，而且主要沿基面发生解理。根据Stroh 提出的裂纹形核机制[8]，当滑移和解理发生在同一个晶面上，脆性将会更为严重。这种脆性的铍与塑性很好的纯铝形成复合材料，铝的塑性变形常会起到钝化铍解理裂纹的作用，在试样中可以观察到铝阻碍基面解
激素的副作用
理裂纹的特征。
(a)低倍;(b)高倍
图5 最大应力为220M Pa 时的疲劳断口形貌
Fig 15 T he fatigue fracture morpholog y at max imum str ess 220M Pa
由断口分析可见，铍铝合金的复杂断裂机制主要是由于铍相存在多种断裂方式，铍和铝在不同制备参数下形成的微结构在界面结合等方面存在差异，加之外加载荷的不同，必定影响着两相的相互作用，从而影响断裂过程和断裂机制。
3 结论
1)Be -38Al 合金的显微组织是由相互分离的铍相和铝相构成的一种复合型组织。铍相以尺度不等的颗粒分布于连续的铝相基体当中，整体无方向性。
2)合金具有较高的室温拉伸性能，且拉伸性能对应变速率具有敏感性，变形速率慢时强度略微降低但塑性明显增加。室温拉伸断裂总体表现为由脆性铍相的多种解理断裂和韧性铝相的延性断裂构成的混合型断裂。
3)在拉O 拉疲劳载荷下，铍因发生晶内滑移而导致裂纹萌生并向基体扩展，疲劳裂纹在接近疲劳周
次前急剧扩展而突然断裂。疲劳断裂仍由铍相的解理断裂和铝相的韧性断裂构成。
参考文献
[1]5高技术新材料要览6编辑委员会.高技术新材料要览.北京：中
国科学技术出版社,1993
[2]刘孝宁，马世光.铍铝合金的研究与应用.稀有金属,2003,27汲取知识
孕吐从第几周开始(1):62
[3]M arder J M .Aluminum -beryllium alloys.Advaced materials &
Proces s,1997,152(4):37
[4]Parsonage T.Beryllium metal matrix composites for aerospace and
commercial applications.M aterials Sci ence and Technology,2000,16:733[5]Anon J 1Be -Al alloy show promi for spacecraft component 1Journal
蔡禾
of Fai lure an d Analysis Prevention,2004,4(2):31[6]William S,Omar S E 1Application of aluminum -beryllium composite
for structural aerospace component 1Engineeri ng Failure Analysis,2004,11(6):895
[7]Nardone V C,Garos sh en T J 1Evaluation of the tensile and fatigue
behaviour of a pow der metall urgy beryllium/aluminium alloy 1Journal of M aterials Scien ce,1997(32):2549
[8]Stroh A N 1T he cleavage of metal single crys tals 1Phi l M ag,1958,
3:597逯杲
166粉末冶金技术 2007年6月
