2E12鋁合金服役環(huán)境下的損傷行為與耐損傷微觀結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、飛機的壽命和可靠性要求航空鋁合金具有優(yōu)良的耐疲勞及腐蝕損傷性能，合金微觀結(jié)構(gòu)與合金耐損傷性能有著密切關(guān)系。本文利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡、疲勞試驗機、蠕變試驗機以及電化學(xué)綜合測試儀等設(shè)備系統(tǒng)地研究了2E12合金在服役溫度和腐蝕環(huán)境下的疲勞、蠕變及腐蝕損傷行為，分析和探討了微觀結(jié)構(gòu)在合金耐損傷中的影響和作用機制，本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下： 2E12合金具有良好的力學(xué)性能和疲勞性能，常規(guī)力學(xué)性能和抗疲勞裂紋擴展性能基本

2、達到目前報道2524-T3合金相關(guān)性能要求。運用疲勞損傷譜的相關(guān)理論，并綜合考慮裂紋閉合效應(yīng)的影響，建立了2E12合金R=0.1和R=0.5條件下的疲勞損傷譜，并對合金的裂紋擴展行為進行預(yù)測。 探討了溫度對合金疲勞壽命及斷裂機制的影響，溫度升高，合金的疲勞性能降低，低溫條件下位錯運動的阻力較大，位錯運動主要是以滑移為主；室溫和高溫條件下，位錯運動需要克服的能壘降低，位錯發(fā)生纏繞和攀移，同時在晶界處出現(xiàn)位錯堆積，導(dǎo)致晶界的變形程度

3、增加，斷口以穿晶斷裂為主同時伴隨局部沿晶斷裂。 研究了合金在100℃-150℃條件下的蠕變行為，合金具有較高的蠕變應(yīng)力指數(shù)，考慮門檻應(yīng)力的影響，采用位錯攀移模型對合金的蠕變行為進行解釋，門檻應(yīng)力值隨著溫度的升高而降低，合金的蠕變行為符合不完全回復(fù)蠕變，為應(yīng)力輔助下的位錯管擴散機制。 在NaCl溶液和EXCO溶液中，2E12合金的耐腐蝕性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的2024鋁合金，鹽水溶液中合金的腐蝕以點蝕為主，剝落腐蝕試驗中，合金腐蝕

4、動力學(xué)過程包括點蝕的誘導(dǎo)形成，點蝕發(fā)展及嚴重點蝕向輕微剝蝕發(fā)展，利用交流阻抗和等效電路分析和解釋了合金表面的界面狀態(tài)和腐蝕的微觀過程。合金中Al2Cu和Al7Cu2(Fe,Mn)雜質(zhì)相主要作為陰極。而S相腐蝕微觀過程由三階段組成，在浸泡初期S相表現(xiàn)為陽極相，合金中的主要組分特別是Mg原子發(fā)生去合金化；隨Mg原子含量降低，Cu原子的相對含量升高，S相轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，周圍基體發(fā)生陽極溶解；最終當(dāng)S相與基體連接中斷時，S相發(fā)生脫落。自然時效條件下

5、，合金晶界和晶粒內(nèi)部的元素分布較為均勻，晶界對合金腐蝕的影響較小。 在潮濕氣體和鹽霧條件下的裂紋擴展速率要快于室溫空氣條件下的裂紋擴展速率，疲勞斷口形貌呈現(xiàn)出更多的脆性裂紋擴展特征。在腐蝕介質(zhì)條件下，腐蝕介質(zhì)與鋁反應(yīng)生成活性氫原子向塑性區(qū)擴散，導(dǎo)致塑性區(qū)發(fā)生氫脆，同時腐蝕誘導(dǎo)的陽極溶解降低了合金的裂紋擴展性能。通過在電解質(zhì)中加入添加劑，延長電解充氫時間，靜態(tài)電解充氫后合金表現(xiàn)出一定的氫脆，電解充氫后2E12合金的強度并沒有明顯的

6、變化，但伸長率降低，靜態(tài)電解充氫14天，塑性損失為12％。拉應(yīng)力對氫的擴散起到加速作用，合金在較短的時間內(nèi)顯示出氫脆的特征，合金斷口仍顯示為韌性斷口特征，總體上2E12合金的氫脆敏感性較低。 固溶處理促進了粗大過剩相的溶解，但由于2E12合金中Cu、Mg元素含量較高，即使采用長時間固溶處理，合金中仍有相當(dāng)多數(shù)量的過剩相無法溶解。利用強化固溶處理，促進了過剩相的溶解，強化固溶2小時后，合金的穩(wěn)態(tài)裂紋擴展速率降低了約40％。但在固溶

7、處理過程中基體中的合金元素向包鋁層發(fā)生明顯的擴散，導(dǎo)致包鋁層耐腐蝕性能降低，因此強化固溶處理在改善包鋁合金性能上的作用是非常有限的，對于不包鋁合金可以采用強化固溶提高疲勞性能。 預(yù)變形提高了合金的強度，降低了合金的塑性，而腐蝕性能變化并不顯著。按照航空標準生產(chǎn)大規(guī)格T3態(tài)板材比T4態(tài)合金屈服強度提高了15％，伸長率僅降低了2％，合金的疲勞裂紋擴展性能基本相同，腐蝕性能沒有明顯差別，總體上綜合力學(xué)性能要優(yōu)于T4態(tài)合金，通過預(yù)變形處

8、理工藝改善合金性能是比較有效的手段。 人工時效處理促進析出相的析出，合金的強度提高，經(jīng)形變熱處理可獲得更為細小均勻的析出相，晶界處無析出帶變窄，強度更高，但塑性降低。析出相的析出和晶界處無析出帶的出現(xiàn)導(dǎo)致人工時效處理后合金的耐腐蝕性能顯著降低，按照剝落腐蝕標準判斷均達到嚴重腐蝕的程度。研究先低溫后高溫雙級時效處理對合金疲勞裂紋擴展性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)欠時效處理形成的GPB區(qū)+S"可以降低合金的疲勞裂紋擴展速率，提高了合金的疲勞裂