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(jī)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(yàn)機(jī)、蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)以及電化學(xué)綜合測(cè)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(jī)制，本論文的主要研究?jī)?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(kuò)展性能基本

2、達(dá)到目前報(bào)道2524-T3合金相關(guān)性能要求。運(yùn)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(duì)合金的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。 探討了溫度對(duì)合金疲勞壽命及斷裂機(jī)制的影響，溫度升高，合金的疲勞性能降低，低溫條件下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力較大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主要是以滑移為主；室溫和高溫條件下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要克服的能壘降低，位錯(cuò)發(fā)生纏繞和攀移，同時(shí)在晶界處出現(xiàn)位錯(cuò)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(shí)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(mén)檻應(yīng)力的影響，采用位錯(cuò)攀移模型對(duì)合金的蠕變行為進(jìn)行解釋?zhuān)T(mén)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(cuò)管擴(kuò)散機(jī)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(diǎn)蝕為主，剝落腐蝕試驗(yàn)中，合金腐蝕

4、動(dòng)力學(xué)過(guò)程包括點(diǎn)蝕的誘導(dǎo)形成，點(diǎn)蝕發(fā)展及嚴(yán)重點(diǎn)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(guò)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(guò)程由三階段組成，在浸泡初期S相表現(xiàn)為陽(yáng)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(duì)含量升高，S相轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，周?chē)w發(fā)生陽(yáng)極溶解；最終當(dāng)S相與基體連接中斷時(shí)，S相發(fā)生脫落。自然時(shí)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(duì)合金腐蝕的影響較小。 在潮濕氣體和鹽霧條件下的裂紋擴(kuò)展速率要快于室溫空氣條件下的裂紋擴(kuò)展速率，疲勞斷口形貌呈現(xiàn)出更多的脆性裂紋擴(kuò)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(kuò)散，導(dǎo)致塑性區(qū)發(fā)生氫脆，同時(shí)腐蝕誘導(dǎo)的陽(yáng)極溶解降低了合金的裂紋擴(kuò)展性能。通過(guò)在電解質(zhì)中加入添加劑，延長(zhǎng)電解充氫時(shí)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(qiáng)度并沒(méi)有明顯的

6、變化，但伸長(zhǎng)率降低，靜態(tài)電解充氫14天，塑性損失為12％。拉應(yīng)力對(duì)氫的擴(kuò)散起到加速作用，合金在較短的時(shí)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(jìn)了粗大過(guò)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(zhǎng)時(shí)間固溶處理，合金中仍有相當(dāng)多數(shù)量的過(guò)剩相無(wú)法溶解。利用強(qiáng)化固溶處理，促進(jìn)了過(guò)剩相的溶解，強(qiáng)化固溶2小時(shí)后，合金的穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展速率降低了約40％。但在固溶

7、處理過(guò)程中基體中的合金元素向包鋁層發(fā)生明顯的擴(kuò)散，導(dǎo)致包鋁層耐腐蝕性能降低，因此強(qiáng)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(duì)于不包鋁合金可以采用強(qiáng)化固溶提高疲勞性能。 預(yù)變形提高了合金的強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)大規(guī)格T3態(tài)板材比T4態(tài)合金屈服強(qiáng)度提高了15％，伸長(zhǎng)率僅降低了2％，合金的疲勞裂紋擴(kuò)展性能基本相同，腐蝕性能沒(méi)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(guò)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(shí)效處理促進(jìn)析出相的析出，合金的強(qiáng)度提高，經(jīng)形變熱處理可獲得更為細(xì)小均勻的析出相，晶界處無(wú)析出帶變窄，強(qiáng)度更高，但塑性降低。析出相的析出和晶界處無(wú)析出帶的出現(xiàn)導(dǎo)致人工時(shí)效處理后合金的耐腐蝕性能顯著降低，按照剝落腐蝕標(biāo)準(zhǔn)判斷均達(dá)到嚴(yán)重腐蝕的程度。研究先低溫后高溫雙級(jí)時(shí)效處理對(duì)合金疲勞裂紋擴(kuò)展性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)欠時(shí)效處理形成的GPB區(qū)+S"可以降低合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提高了合金的疲勞裂