航空用2E12合金熱處理工藝與疲勞行為的相關(guān)基礎(chǔ)問題研究.pdf

1、合金的熱處理工藝與其微觀組織演變規(guī)律及疲勞損傷行為有著密切的聯(lián)系，通過熱處理工藝優(yōu)化及新型處理工藝開發(fā)對合金耐損傷微結(jié)構(gòu)進行調(diào)控具有重要價值。本文利用光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀、背散射電子衍射技術(shù)、正電子湮沒技術(shù)、疲勞試驗機、示差量熱儀等手段系統(tǒng)的考察了固溶處理、形變處理、電場時效處理及熱效應影響后的航空用2E12鋁合金拉伸性能、疲勞性能的變化規(guī)律，分析和探討了不同熱處理狀態(tài)下合金微觀組織演變對合金耐損傷行為的影響規(guī)律

2、及其機理，得到了以下主要結(jié)論：
　　 (1)2E12鋁合金中粗大殘留相在循環(huán)應力作用下將與基體脫粘而成為疲勞裂紋萌生位置，并在裂紋擴展過程中起到橋接作用，從而降低合金疲勞壽命、加速疲勞裂紋擴展速率。固溶處理可大幅提高合金疲勞性能，適當提高固溶溫度、延長保溫時間可提高合金綜合力學性能，固溶溫度應低于Al-Al2Cu-Al2CuMg共晶轉(zhuǎn)變溫度509℃。合金固溶后經(jīng)室溫水及沸水淬火后DSC曲線存在明顯GPB區(qū)向S”轉(zhuǎn)變峰；經(jīng)油及室溫

3、水淬火后存在TypeⅠ及TypeⅡ S相兩相共存現(xiàn)象；空冷及沸水淬火后合金中存在明顯的析出相結(jié)構(gòu)，前者析出相體積更大，數(shù)量更多；導致合金析出相結(jié)構(gòu)各異的原因主要是淬火介質(zhì)冷卻速率及冷卻溫度不一。
　　 (2)2E12合金在180℃時效表現(xiàn)為雙階段時效硬化過程，時效前冷變形削弱了合金第一階時效段硬化趨勢。預變形加速了合金第二階段時效過程，縮短了峰值時效時間。冷變形顯著細化了合金中沉淀析出相，隨冷變形量的增加，強化相S相愈彌散，愈細

4、??；預變形過程引入大量位錯組織，成為合金析出相有利形核位置。
　　 (3)軋制變形后合金的晶粒在軋制方向尺寸增加，長寬比增大，產(chǎn)生由S型織構(gòu){123}<634>、黃銅型織構(gòu){011}<112>和銅型織構(gòu){112}<111>組成的形變織構(gòu)。軋制變形可提高2E12鋁合金表面殘余壓應力，拉伸變形則使得合金表面產(chǎn)生殘余拉應力，即使變形量很小，對合金試樣表面殘余應力的性質(zhì)及大小產(chǎn)生的影響都要高于軋制變形。
　　 (4)合金的疲勞裂

5、紋擴展過程受到晶界的阻礙，擴展方式為穿晶擴展，疲勞過程中產(chǎn)生二次裂紋，二次裂紋萌生位置為裂紋前端附近的取向差較大晶界處。主裂紋擴展面為{111}面，裂紋擴展發(fā)生分叉位置為裂紋前端可同時開動兩個或兩個以上{111)<110>滑移系的晶粒處。形變處理后合金中出現(xiàn){110}<112>，{123}<634>及{112}<111>織構(gòu)，導致合金中{111}面傾向于偏離至循環(huán)應力加載最大方向，一定程度上抑制了裂紋的擴展，從而導致形變處理后短裂紋擴展

6、階段擴展速率降低。合金裂紋擴展速率與表面殘余應力、裂紋尖端晶粒取向、裂紋尖端塑性區(qū)尺寸及塑性區(qū)吸收形變能的能力等因素有關(guān)。在短裂紋擴展階段，裂紋尖端塑性區(qū)尺寸儀為單個晶粒大小時，表面殘余壓應力及形變引起的織構(gòu)可抑制裂紋擴展。在裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，加工硬化引取的裂紋尖端塑性區(qū)吸收形變儲能的能力降低成為加速裂紋擴展的主要因素。
　　 (5)190℃時效過程中施加9kV/cm電場導致合金時效硬化曲線硬度峰值提前。施加9kV/cm強度電場時

7、效合金試樣電導率隨時間的變化與不加電場時效的合金試樣具有相同的變化規(guī)律，但其電導率值在時效各個階段均較后者有所提高。電場時效可明顯降低2E12鋁合金中S相的形成激活能，Kissinger方法和普適積分法計算結(jié)果施加電場后合金S相形成激活能分別降低了7.9 kJ/mol～12.7 kJ/mol和6.8kJ/mol～22.6 kJ/mol。電場可促進2E12鋁合金中TypeⅠS相向TypeⅡ S相轉(zhuǎn)變，未施加電場時效的合金樣品具有更高的過飽

8、和度，其析出體積百分數(shù)及析出速率均高于施加電場的樣品。
　　 合金經(jīng)190℃強靜電場時效，析出相數(shù)量明顯增加，且分布更為彌散。這是由于淬火時產(chǎn)生的過飽和窄位在電場作用下跳動幾率增加，從而促進了溶質(zhì)原子脫溶，增加第二相形核位置。時效不同時間后合金拉伸流變應力由高到低依次為10h、24h、5h。電場時效后合金中更為細小彌散的第二相增加了合金的屈服強度，對于時效過程中施加9kV/cm強度電場的試樣，相同時效時間的試樣均表現(xiàn)出較未施加電

9、場更高的變形流變應力。經(jīng)190℃/10h電場時效后合金疲勞壽命較未施加電場時效試樣提高了約20％，且前者疲勞裂紋擴展速率在裂紋擴展各階段均低于后者。
　　 (6)合金在150℃下進行熱暴露，隨暴露時間的增加，合金中第二相經(jīng)歷GPB長大→S”相形成→S’相形成的過程，析出第二相數(shù)量不斷增加，導致硬度值呈線性增加。隨熱暴露時間的增加，合金的疲勞壽命呈現(xiàn)先增后降的趨勢，暴露10h后合金具有最高疲勞壽命，當暴露1000h后合金疲勞壽命急

10、劇降低。暴露100h及1000h合金中形成的S”相及S’相由于共格程度較GPB區(qū)低，使得疲勞過程可逆滑移位錯數(shù)量減少，加之晶界處析出的第二相易成為疲勞微裂紋源，兩者疲勞壽命不同程度地降低。合金的疲勞裂紋擴展速率隨熱循環(huán)時間的延長而加快；合金中GPB區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸受到疲勞過程中的位錯切割作用和溫度影響導致長大兩方面因素影響，溫度影響效果更為顯著；高溫影響下，當疲勞裂紋形成后，裂紋表面暴露在高溫有氧的環(huán)境下，氧氣較容易擴散進入裂紋尖端，促使裂尖