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耐损伤铝合金成分设计及裂纹扩展行为研究

钟继发  
【摘要】:飞机蒙皮类结构经常受交变载荷、不同介质腐蚀环境的作用,这要求航空铝合金在强化的基础上,提升耐损伤、耐腐蚀等关键性能,以满足现代飞机高可靠、长寿命设计目标。作为973研究课题,本课题旨在研究出在强度、韧性和裂纹扩展速率具有良好配合的中强耐损伤新型铝合金。耐损伤性关键指标比国内现有材料水平提高25%以上,薄板性能达到:σb≥430MPa,σ0.2≥350MPa,δ≥15%, da/dn≤1.5×10-3mm/cycle (AKp=30MPa·m1/2)。该材料性能将达到甚至超过国外同类材料的水平,可广泛用于航空航天、交通运输、武器装备等领域。 本文通过降低铜含量,引入Li、Er等新的合金化元素,设计了四种新的合金成分。通过添加微量元素熔炼得到Al-Cu-Li-Mg-Ag、 Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr, Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr、Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr四个系列合金,并通过检测各合金的拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能,选取具有最佳综合性能的合金作为基础耐损伤铝合金。实验过程中研究了中间退火、时效制度以及稀土元素Er对各类合金微观组织和性能的影响,并采用多种时效制度探索提高合金拉伸性能以及抗疲劳裂纹扩展能力的途径。同时采用了金相偏光观察,扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)等手段研究了合金的疲劳裂纹萌生机制、早期扩展行为以及长裂纹扩展机制,并详细地探讨了合金的微观组织结构对疲劳裂纹扩展的影响,得出主要结论如下: I Al-Cu-Li-Mg-Ag合金 i Al-Cu-Li-Mg-Ag合金经450℃中间退火时发生静态再结晶过程,而385℃中间退火后得到良好的纤维状组织,并使冷轧态板材具有较高的再结晶温度。固溶处理前的退火能有效提高Al-Cu-Li-Mg-Ag合金的再结晶温度,使合金在一定固溶处理温度区间内获得未再结晶组织。适当提高固溶处理温度能有效加快合金的时效响应速度,且在强度相当的情况下,使得Al-Cu-Li-Mg-Ag合金具有较高的延伸率。 ii在强度相当的情况下,预变形量在一定范围内的增加,将有效提高Al-Cu-Li-Mg-Ag合金的延伸率,预变形量超过一定值后,其延伸率反而降低。预变形量为20%时,Al-Cu-Li-Mg-Ag合金具有最优良的综合拉伸性能。双级时效制度下合金具有较单级时效更优良的拉伸性能,室温+145℃双级时效制度下Al-Cu-Li-Mg-Ag合金具有比经70℃+145℃双级时效制度下更好的综合拉伸性能,裂纹扩展性能基本一致。Al-Cu-Li-Mg-Ag合金经过540℃(1h)+12%+RT (5d)+145℃(20h)热处理后具有最佳的综合性能。其中抗拉强度σb=443MPa,屈服强度σ0.2=397MPa,延伸率(断后伸长率)6=16.5%,裂纹扩展速率da/dn≈1.34×10-3mm/cycle (△K=30MPa√m)。 iii在Al-Cu-Li-Mg-Ag合金中添加微量Zr元素,可有效抑制再结晶晶粒长大,使合金获得非常细小的时效态晶粒组织。但Zr元素的添加并没有提高Al-Cu-Li-Mg-Ag合金的抗裂纹扩展性能。大角度晶界阻碍驻留滑移带的运动,促使Al-Cu-Li-Mg-Ag合金微裂纹在大角度晶界处萌生同时大角度晶界阻碍裂纹扩展,诱导裂纹发生偏转,从而降低合金裂纹扩展速率。 II Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金 i中间退火降低热轧态板材中的形变储能,从而降低了铝合金的强度,改善了合金的塑性。随着中间退火温度的不断增高,合金由发生简单的回复退火演变成再结晶退火,板材的强度和塑性也不断地提高。当退火温度高于400℃时,Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr热轧态板材开始发生再结晶过程。当退火温度增高至450℃时,热轧态板材为完全再结晶组织。固溶前的退火处理有利于抑制合金在固溶处理时再结晶过程的发生,其抑制作用随着固溶处理温度的不断升高而降低。当固溶处理温度不超过500℃时,固溶处理前的退火(350℃退火处理10h)可以有效抑制Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金再结晶过程的发生。当固溶处理温度超过520℃时,合金中开始出现再结晶组织,且随着固溶处理温度的不断升高,再结晶比例不断增大。 ii Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金经520℃固溶处理后具有较530℃固溶处理后更优良的拉伸性能。单级时效时,不同状态下合金抗疲劳裂纹扩展能力依次为自然时效(欠时效)T8峰时效T8过时效。双级人工时效在对合金拉伸性能基本没有影响的情况下,可以有效改善合金的抗疲劳裂纹扩展能力,使合金具有单级时效态拉伸性能的同时,获得较自然时效态下更佳抗裂纹扩展能力。本实验中的较高铜Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金(B2)经过530℃(1h)+6%+120℃(8h)+145℃(24h)双级人工时效处理后获得以下综合性能:抗拉强度σb=474MPa,屈服强度σ0.2=363MPa,延伸率6=22.5%,裂纹扩展速率da/dn≈1.0×10-3mm/cycle (△K=30MPa√m)。 iii Er元素在Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金中主要以低熔点共晶相(Al8Cu4Er)的形式存在,Er元素的添加不但未能改善合金性能,反而降低了Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金的强度和抗疲劳裂纹扩展性能。 Ⅲ Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr合金 Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr合金(C合金)热轧态板材在400℃退火处理时开始发生再结晶过程。提高时效温度或时效前进行预变形均加快合金的时效响应速率,有利于提高合金的强度,且预变形对合金强度的影响更大。Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr合金在T8-145℃峰时效态下的综合性能分别是:抗拉强度σb=494MPa,屈服强度σ0.2=400MPa,延伸率σ=12.6%,△K=27MPa√m时裂纹扩展速率da/dn=8.9×10-3mm/cycle,综合性能明显低于B2合金。 Ⅳ Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr合金 i Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr合金具有较高的抗疲劳裂纹扩展性能。在自然时效态和欠时效态下的裂纹扩展速率分别为1.8×10-3mm/cycle和9.6×10-4mm/cycle (△K=30MPa√m)。相对于单级时效,常规双级人工时效(120℃+145℃)能有效提高Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr合金的抗裂纹扩展能力。适当提高时效前的预变形量有利于提高Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr合金的拉伸性能(强塑性),但降低合金的抗裂纹扩展能力:强度接近项目要求值时,6%预变形量的合金裂纹扩展速率高于4%预变形量的合金,应力强度因子范围△K=30MPa√m时,两种预变形量试样的裂纹扩展速率分别为3×10-3mm/cycle和1.88×10-3mm/cycle。 ii降低双级时效中第一级时效温度在改善合金塑性的同时还能提高合金的抗裂纹扩展能力,使合金获得最佳的综合性能。即当D2合金经过540℃(1h)+4%+RT(10d)+145℃(45h)热处理后获得最高综合性能:σb=441MPa、σ0.2=368MPa、δ=16%、da/dn=1.1×10-3mm/cycle (AK=30MPa√m)。 综合考虑上述Al-Cu-Li-Mg-Ag、Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr、 Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zr、Al-Cu-Li-Mg-Mn-Zn-Zr四种合金在各热处理制度下的拉伸性能以及疲劳裂纹扩展性能,Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Zr合金经过530℃(lh)+6%+120℃(8h)+145℃(24h)双级人工时效处理后获得最佳的综合性能:抗拉强度σb=474MPa,屈服强度σ0.2=363MPa,延-伸率δ=22.5%,裂纹扩展速率da/dn≈1.0×10-3mm/cycle (AK=30MPa㏎m)。


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