低温轧制6082铝合金的疲劳寿命与裂纹扩展行为：多尺度实验与仿真研究

本文系统研究了40%、70%、90%厚度减薄率的低温轧制（CR）与室温轧制（RTR）6082铝合金的疲劳性能，通过光学显微镜（OM）、透射电镜（TEM）和场发射扫描电镜（FESEM）揭示了超细晶（UFG）结构形成机制。研究发现CR试样疲劳强度较基体提升4.15倍，裂纹扩展模拟采用扩展有限元法（XFEM）与实验结果高度吻合，为航空航天轻量化材料设计提供重要参考。

　　

Highlight

本研究通过实验与仿真相结合的方式，揭示了厚度减薄率对6082铝合金疲劳性能的梯度影响规律。CR处理在90%变形量下展现出67%的晶界强化效率，显著优于RTR处理的34%，TEM分析证实其超细晶（UFG）结构可有效阻碍裂纹分支扩展。

Cryo-rolling

在-190~-150^°C的深冷环境中，对10mm厚6082铝合金板进行多道次轧制，每道次前进行15分钟液氮淬火处理。采用直径110mm轧辊以8rpm转速轧制，单道次减薄率约1.5%，最终获得40%-90%梯度厚度样品。

Optical micrographs

原始合金（图4a）呈现50μm层状晶结构，经CR/RTR处理后晶粒细化至纳米级（620-760nm）。FESEM显示90%CR样品中第二相粒子均匀分布，这种"纳米障碍物"网络可有效偏转裂纹路径。

Finite element simulation

创新性地将XFEM与连续损伤力学耦合：先通过XFEM计算高斯点应力-应变场，再代入损伤演化方程进行循环积分。尽管计算成本较高，但开发的MATLAB-ANSYS联合算法成功预测了裂纹扩展速率（da/dN），与实验误差<8%。

Conclusions

1. CR处理使疲劳强度提升至基体材料的4.15倍，归因于超细晶界对裂纹的"迷宫效应"；

2. 90%变形量下CR样品展现67%的晶界强化效率，显著高于RTR的34%；

3. XFEM仿真准确复现了裂纹扩展的三个阶段特征，为工程应用提供可靠预测工具。