（材料学专业论文）2E12Zr铝合金的热处理与微观组织及力学性能研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文研究了热处理制度对2 e 1 2 + z r 合金微观组织和性能的影 响。通过拉伸性能和疲劳性能测试，利用金相显微镜、透射电镜 ( t e m ) ，以及扫描电镜( s e m ) 观察，得到的主要结论如下： ( 1 ) 通过d t a 实验，确定合金的过烧温度是5 0 3 。通过s e m 观 察发现，难溶相主要是砧c u ，a 1 c u m n 及a i c u m g 粒子。2 e 1 2 + z r 合金经5 0 0 4 0 m i n 固溶处理后的抗拉强度、屈服强度及延伸率等 达到最佳。 ( 2 ) 自然时效后，g p b 区是合金的主要强化相。t 3 状态比t 4 状 态具有更高的屈服强度和抗拉强度，而延伸率略有下降。这是由于预 变形增加位错，促进g p b 区析出的结果。 ( 3 ) 人工时效后，s 相是合金的主要强化相。t 6 状态在1 0 h 达到 峰值，t 8 状态的峰值时间提前2 h ，拉伸强度和屈服强度比t 6 工艺 均提高4 0 m p a 左右，延伸率降低6 个百分点。预变形导致合金中位 错密度增高，为s 相形核提供了更多位置，从而促进s 相析出，提高 合金强度。 ( 4 ) 与2 e 1 2 合金相比，2 e 1 2 + z r 合金自然时效后，合金的抗拉强 度下降了约2 0 - - - 3 0 m p a ，屈服强度下降不多，而伸长率提高了4 个百 分点；人工时效至峰值时，合金的抗拉强度值较2 e 1 2 合金的强度下 降了约4 0 - - 5 0 m p a ，屈服强度下降了约1 0 - - 3 0 m p a ，而伸长率提高了 2 5 个百分点。这是因为微量z r 的添加，降低了g p b 区的形成，减 少了亚稳相s 相的析出数量，降低了时效硬化效果。 ( 5 ) 在应力比r = 0 5 时，2 e 1 2 + z r 合金t 3 状态具有较好的耐损伤 疲劳性能，在1 0 6 循环周次下的疲劳强度o m a x = 2 8 0 m p a ，高于t 4 状态 o m a x = 2 7 0 m p a 。缺口的存在降低了疲劳极限，k t = 3 时的疲劳强度不 及k t = 1 时的一半。 ( 6 ) t 3 和t 4 两种自然时效状态下，2 e 1 2 + z r 合金l t 方向的疲劳 裂纹扩展可分三个阶段，当r = 0 5 时，a k 在5 5 m p a x m u 2 以下时， 为裂纹扩展第1 阶段；a k 在5 5 m p a x m u 2 - - 18 m p a x m 沈之间时，为裂 纹扩展第阶段；当a k 大于1 8 m p a x m u 2 后，为裂纹扩展的第阶 段。t 3 工艺在前两个阶段的曲线比较平缓，且进入瞬间断裂阶段较 缓慢，而t 4 工艺在前两个阶段的曲线倾斜较大，且迅速进入瞬断阶 中南大学硕士学位论文 摘要 段。 ( 7 ) 2 e 1 2 + z r 合金t 3 状态，r = 0 5 时的裂纹扩展速率曲线明显位 于r = 0 1 曲线之上，r = 0 5 时，合金的疲劳裂纹扩展速度更快。r = 0 1 时，疲劳裂纹扩展的三个阶段分别在a k 3 0 m p a x m 2 为裂纹扩展的第1 i i 阶段。 ( 8 ) t 3 状态，2 e 1 2 + z r 合金r = 0 5 和r = 0 1 时，l t 方向的疲劳 裂纹扩展速率都略低于t - l 方向，但相差并不大，并且到裂纹扩展后 期这种差别进一步缩小。 ( 9 ) t 3 状态，r = 0 5 和r = 0 1 时，2 e 1 2 + z r 合金的裂纹扩展速率 在疲劳裂纹的初始阶段快于2 e 1 2 合金，随着a k 的不断增大，两种 合金的疲劳裂纹扩展速率的差别也不断减小。 ( 1 0 ) 2 e 1 2 + z r 合金疲劳断口由裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区三 部分组成，裂纹萌生一般位于试样表面应力集中处或典型缺陷部位， 呈现“鱼骨形 小刻面。裂纹扩展区有明显疲劳辉纹特征，并伴随部 分二次裂纹。瞬断区呈现静拉伸断口特征，韧窝多呈现盘形或拉长形。 关键字2 e 1 2 + z r 铝合金，热处理，微观组织，s - n 曲线，疲劳裂纹 扩展速率 i i 中南大学硕士学位论文 a b s l r a c t s a b s t r a c t s e f f e c t so fh e a tt r e a t m e n ta n dm i c r o s t r u c t u r e so np r o p e r t i e so f 2 e12 + z ra l l o yw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gf a t i g u ep r o p e r t i e s t e s t i n g a n dt e n s i l e p r o p e r t i e st e s t i n g ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) o b s e r v a t i o i l s 1 1 1 em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) d t at e s tw e r ec a r r i e do u t ，t h eo v e r b u r n tt e m p e r a t u r ei s50 3 w i t ht h es e mo b v e r v a t i o n s t h ei n s o l u b l ep a d t i e sw e r ea 1 c u ， a 1 c u m na n da 1 c u m g p a t i c l e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t2 e 12 + z ra l l o yh a d b e a e rt e n s i l ep r o p e r t i e sa f t e r5 0 0 4 0 m i ns o l u t i o nt r e a t m e n t ( 2 ) g p bz o n ew a st h ec o m s t i t u e n tp h a s ea f t e r9 6 hn a t u r a la g i n go f 2 e12 + z ra l l o y t h ea l l o ya tt 3c o n d i t i o nh a db e t t e rs t r e n g t ha n dl o w e r e l o n g a t i o nt h a nt 4c o n d i t i o n ，b e c a u s et h ep r e d e f o r m a t i o ni n d u c e d h i g h e rd i s l o c a t i o nd e n s i t y , p r o m o t e dt h ep r e c i p i t a t i o no f g p bz o n e ( 3 ) s p h a s ew a st h ec o m s t i t u e n tp h a s ea f t e r1 9 0 a r t i f i c i a la g i n go f 2 e12 十z ta l l o y a tt 6c o n d i t i o n1o ht h es t r e n g t ha r r i v e da tt h ep e a kv a l u e a tt 8c o n d i t i o nw a s2 he a r l i e r 明1 et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ha t t 8c o n d i t i o ni n c r e a s e d4 0 n a t h ee l o n g a t i o nd e c r e a s e d6p e r c e n t t h e r e s u l t sw a st h a tt h ep r e d e f o r m a t i o ni n d u c e dh i g h e rd i s l o c a t i o nd e n s i t y , p r o m o t e dt h ep r e c i p i t a t i o no fs p h a s e ，i n c r e a s e ds t r e n g t ho f t h ea l l o y ( 4 ) a f t e r9 6 hn a t u r a la g i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ho f2 e 12 啦0a l l o y d e c r e a s e d2 0 3 0 m p a ，y i e l ds t r e n g t hw a si n v a r i a n t , t h ee l o n g a t i o n i n c r e a s e d4p e r c e n t ；a f t e r19 0 a r t i f i c i a la g i n g ，t h et e n s i l es t r e n g t ho f 2 e 1 2 + z ra l l o yd e c r e a s e d4 0 - 5 0 m p a , y i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e d1 m o o n a t h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e d2 - 5p e r c e n t 1 h er e s u l t sw a st h a tt h e a d d i t i o no fm i c r oz rr e d u c e dt h ef o r m a t i o no fg p bz o n e ，d e c r e a s e dt h e p r e c i p i t a t i o no f t h es p h a s e ，r e d u c e dt h ee f f e c to fa g eh a r d i n g ( 5 ) w h e ns t r e s sr a t i or = 0 5 ，w i t ht h es a m el e v e lc y c l e s ，t h ef a t i g u e s t r e n g t ha tt 3c o n d i t i o ni sh i g h e rt h a nt h a ta tt 4c o n d i t i o n ，s u c ha st h e c y c l i cf a t i g u es t r e n g t h ( l 戕) a t10 6c y c l e si slo ah i g h e rt h a nt h a ta tt 4 c o n d i t i o n 耵1 e s en o t c h e sr e s u l t e di nr e d u c t i o no ff a t i g u el i m i to ft h i s a l l o y m e nk t - - 3 ，t h ef a t i g u el i m i ti ss h o r th a l f o f t h ek t = 1 i l l 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s ( 6 ) t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t ho f 2 e12 + z ra l l o yc o n t a i n e dt h r e es t a g e s i 1 1l td i r e c t i o na tt 3a n dt 4c o n d i t i o n o nt h ec o n d i t i o no fr = 0 5 ， a k 18 m p a x m l 2 , i tw a sa tt h el a s ts t a g e 晰t 1 1t 1 1 es a m el e v e lo fs t r e s si n t e n s i t y f a c t o r k ，t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ( d a d n ) a tt 3c o n d i t i o ni s s l o w e rt h a nt h a ta tt 4c o n d i t i o n ( 7 ) a tt h et 3c o n d i t i o n ，w i t ht h es a m el e v e lo f s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r k ，t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ( d a d n ) o nt h ec o n d i t i o no fr = 0 1 i ss l o w e rt h a nt h a to nt h ec o n d i t i o no fr = 0 5 讹e nr = o 1 ， k 3 0 m p a x m v 2 , i t w a sa tt h el a s ts t a g e ( 8 ) a tt h et 3c o n d i t i o n ，w h e nr = 0 5a n dr = 0 1 ，w i t ht h es a m el e v e l o fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra k ，t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ( d a d n ) o nt h ec o n d i t i o no fl td i r e c t i o ni ss l o w e rt h a nt h a to nt h ec o n d i t i o no f l - td i r e c t i o n ，a n dt h ed i f f e n e r c ew a ss m a l l ；a tt h el a s ts t a g e ，t h e d i f f e n e r c et u r n e ds m a l l e r ( 9 ) r _ 0 1 a n d r = 0 5 ，w i t ht h es a m el e v e lo fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o r k ， t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e ( d a d n ) o ft h e2 e12a l l o yi ss l o w e r t h a nt h a to f2 e12 + z ra l l o yu n t i la k = 19 m p a x m zi nt h ei n i t i a ls t a g e a s t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ki n c r e a s e d ，t h ed i f f e n e r c et u r n e ds m a l l ( 10 ) t h ef r a c t u r ea p p e a r a n c eo f2 e 12 + z ra l l o yc o n s i s t e do ff a t i g u e c r a c ki n t i a t i o nz o n e f a t i g u ec r a c kz o n ea n df i n a lf r a c t u r ez o n e t h e l o c a t i o n so fi n i t i a lf a t i g u ec r a c k sg e n e r a l l yw e r eo nt h es u r f a c es t r e s s c o n c e n t r a t e do ro nt h ed i f f e r e n td e f e c t si na l l o y ，t h ea p p e a r a n c eo ff a c e t s h a df i s h b o n e l i k e i tw a so b v i o u st os e ef a t i g u es t r i p ei nf a t i g u ec r a c k z o n ea n ds o m es e c o n d a r yc r a c k s i tw a s j u s tl i k et e n s i l ef r a c t u r e a p p e a r a n c ei nt h ef i n a lf r a c t u r ez o n ew i t hc i r c u l a rd i m p l e sa n de l o n g a t e d d i m p l e s k e yw o r d s2 e12 + z ra l l o y ，h e a t m e n tt r e a t m e n t ，m i c r o - s r u c t u r e ，s n c u r v e ，f a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t e i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：三壹：亟堂 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：挝心翩签名华吼竺臻月生日 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 12 x x x 系a i - c u - m g 合金的发展与研究现状 2 0 世纪6 0 年代以前，飞机设计的主导思想是追求材料有高的静强度。随 着飞机使用经验的积累和对飞机安全性越来越高的要求，深刻认识到飞机用铝合 金还必须具有良好的抗应力腐蚀性能，足够的耐疲劳性能和高的断裂韧性。7 0 年代通过合金化、纯净化、热处理等途径，研制应用了一系列高纯度、高韧性、 高耐蚀性的新型铝合金及其热处理状态，甚至一度出现了牺牲部分强度来换取韧 性和应力腐蚀性能改善的趋判1 卅。到8 0 年代，现代飞机发展对铝合金提出了更 高的要求，要求比强度更高，同时韧性、抗疲劳性、抗蚀性良好，即要在不降低 飞机损伤容限和抗腐蚀性的条件下，研制具有更高比强度的新一代铝合金及其热 处理状态。 自从1 9 0 6 年德国的a l f r e dw i l m 首次发现a i c u - m g 合金的时效硬化现象以 来，2 x x x 系铝合金就与航空工业紧密地联系在一起。典型的a i c u - m g 硬铝合金 的特点是：4 9 0 5 2 5 固溶淬火( 取决于合金成分) 和室温( 自然) 或高温( 人工) 时效 热处理后，强化效果明显，比其它合金系( a l - m g 系，a l - m g - s i 系，a i z n - m g - c u 系) 的耐热性高。在1 0 0 t 以下，硬铝型合金的强度低于a 1 z n - m g c u 系合金， 但在高温下，特别是长期使用时，则超过他们1 7 1 引。a l f r e dw i l m 的研究促进了 硬铝( a 1 3 5 c u - 0 5 m g 0 5 m n ) 的发展，并使之成为齐伯林飞船和一些早 期航空器的结构件。它是后来强度更高的a 1 - c u - m g 合金，如2 0 1 4 合金 ( 砧- 4 4 c u - 0 5 m g 0 9 s i 一0 8 m n ) 2 0 2 4 合金( 舢_ 4 3 c u - 1 5 m g - 0 6 m n ) 的合金雏形，这些合金的抗拉强度一般在3 5 0 - - 4 8 0 m p a 之间，并且现在仍然广泛 使用。2 0 2 4 合金给飞机结构和性能带来巨大变化，同时也为2 x x x 系铝合金的发 展奠定了基础 1 4 a 5 j 。 1 1 12 x x x 系a i - c u m g 合金的国际发展 2 x x x 系合金由于存在f e 、s i 杂质，可能生成( f e ，m n ) a 1 6 、( f e ，m n ) 3 s i a l l 2 、 m 9 2 s i 、c u m g s i 4 a 1 4 、( f e ，m n ) 3 c u 2 a 1 2 0 、( f e ，m n ) 3 c u a i l 2 、c u 2 f e a l 7 等脆性杂质相 粗大粒子和未溶的c u a l 2 粒子，如果成分控制不当将严重影响合金的断裂韧性和 厚板的短横向性能1 6 - 1 9 1 。为了解决这一问题，美国在2 0 2 4 合金的基础上，通过 降低f e 、s i 杂质含量和调整合金化元素含量，开发了一系列高强高韧性a l c u m g 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 系合金，如2 1 2 4 、2 2 2 4 、2 3 2 4 、2 4 2 4 、2 5 2 4 及2 0 4 8 铝合金。 7 0 年代以来，美国和原苏联开发的高强高韧性a 1 c u - m g 系合金的成分列于 表1 1 【2 0 】。 表1 - 1 美国和原苏联开发的高强高韧性a 卜c u - m g 系合金的成分 其他 国 牌号 s if bc u m g m n 厅o z n1 ia l 备注 家 个 总 3 8 1 2 0 3 其 1 9 7 0 2 1 2 4 o 2 0 0 3 0 0 1 0 0 2 5o 1 50 0 5 0 1 5 年注 4 91 8o 9余 珊 3 5 o 4 o 4 0 2 5 厅其 1 9 r 7 2 2 0 1 70 2 0o 7 0o 2 50 1 00 0 50 1 5年注 4 51 01 o娟余 册 5 8 0 2 0 1 0 o 0 2 其 1 9 7 2 2 4 1 9o 1 5o 1 8o 0 2o 1 00 0 50 1 5年注 6 8o - 40 2 5 o 1 0余 册 美 3 8 1 2 ，一0 3 其 1 9 7 8 国 2 2 2 4o 1 2o 1 5 0 - 1 00 2 5 o 1 5 o 0 50 1 5 年注 4 a1 80 9余 册 3 8 1 2 0 3 其 1 9 7 8 2 3 2 40 1 00 1 20 1 00 2 5o 1 5o 0 5o 1 5年注 4 41 8o 9余 册 3 8 1 2 0 3 其 1 9 9 1 4 拟0 1 00 1 2优2 00 1 0o _ 0 5o 1 5年注 4 41 60 6 余 册 3 8 1 2 0 3 其 1 9 9 5 2 5 2 4 o 0 6o 0 6o 0 0 80 0 2年注 “1 6 0 6 余 册 且1 63 8 1 2 0 3 其 1 9 7 9 0 2 00 3 0 优2 0o 0 5o 1 5 年始 q4 91 8o 9余 用 苏其 1 9 8 4 联 1 1 6 1o 0 5o 1 53 61 60 60 10 1 0年始 余 用 3 8 1 2 ，0 3 其 1 9 8 7 1 1 6 3 0 2 00 1 5 o 1 0o 0 5o 1 5 年始 4 41 60 8余 用 美国铝业公司( a l c o a ) 开发的此系列的高强高韧性a l c u m g 系合金，得到了 广泛的应用。如1 9 5 4 年注册了2 0 2 4 铝合金，1 9 7 0 年研制成功出2 1 2 4 铝合金， 主要用来生产t 3 5 1 和t 8 5 1 状态的3 8 1 5 2 m m 厚板，制造飞机结构件；1 9 7 2 年 研制成功2 0 4 8 和2 4 1 9 铝合金，分别用来生产航空工业用厚板、薄板和制造高温 结构件和高强度焊接件；1 9 7 8 年研制成功的2 2 2 4 铝合金，主要用来生产t 3 5 11 状态的挤压件，并己用于制造波音7 6 7 等飞机的部分结构件；研制成功2 3 2 4 铝 合金，用来制造t 3 9 状态的厚板和薄板，已用于制造波音7 6 7 飞机的部分结构 件；近年又开发出综合性能更好的2 4 2 4 铝合金；提高合金纯度，降低f e 、s i 等 杂质的含量，严格控制合金成分于9 0 年代开发2 5 2 4 合金，它取代了波音公司之 前使用的2 0 2 4 t 3 和2 3 2 4 t 3 9 合金，成为新一代的航空用材【2 1 , 2 2 】。空中客车公 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 司成员戴姆勒克莱斯勒汽车公司( d a i m l e rc h r y s l e r ) 尸, 决定选用2 5 2 4 合金作为 a 3 4 0 6 0 0 型飞机的机身结构材料，同时空中客车公司( a i r b u s ) 在最近投入商业飞 行的超大型a 3 8 0 型飞机的机身结构也用2 5 2 4 合金制造 2 3 2 6 】。美国铝业公司技 术中心对这种合金的成分作了精心的筛选，对热处理制度作了严格的控制。例如 在2 5 2 4 1 3 态下它的疲劳寿命要比2 0 2 4 - t 3 高2 7 4 5 ，在包含裂纹的开孔处比 2 0 2 4 t 3 高出9 10 5 的残余应力。 表1 - 2 显示了在获得同样的拉伸强度时，2 5 2 4 t 3 态比2 0 2 4 t 3 态有更高的 断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能。而这些特性使得2 5 2 4 t 3 态比2 0 2 4 t 3 态有更高 的疲劳寿命和残余应力幽j 。 表1 - 22 5 2 4 - t 3 和2 0 2 4 - t 3 态铝合金典型的力学性能的对比 表1 3 列出在航材院进行的1 4 4 1 板材疲劳裂纹扩展试验的结果，也列出了 1 1 6 3 合金板材的数据。俄罗斯的1 4 4 1 铝锂合金的力学性能与传统用作机身蒙皮 的1 1 6 3 合金性能相当或者更高。1 4 4 1 合金薄板的强度、断裂韧性及疲劳强度与 1 1 6 3 合金( 美国的2 5 2 4 ) 相同，1 4 4 1 疲劳裂纹的扩展优于1 1 6 3 合金。在图波列夫 设计局企业制造的图2 0 4 机身壁板( 由1 4 4 1 蒙皮、隔框及b 9 5 a r 4 合金制的桁条) 在内压力重复加载条件下的试验表明，其耐久性高于由传统铝合金制的壁板。密 度低的舢l i 合金可保证机身使用寿命提高和结构重量减轻。 表1 - 31 4 4 1 和1 1 6 3 板材的疲劳裂纹扩展率d ( 2 1 ) d r 合金及热处理状态试样切取方向a k ( m p a x m l 尼)d ( 1 ) d n ，l u n 纵向 1 8 6o 2 8 田4 0 ( o 3 7 ) 1 4 4 l t l3 1 01 2 0 1 7 ( 0 2 0 ) 横向 1 8 60 1 4 - 4 ) 5 ( 0 2 9 ) 3 1 00 6 吵乞5 7 ( 1 5 0 ) 纵向 1 8 60 4 2 - 1 2 ( 0 7 9 ) 1 4 4 1 t ll3 1 03 7 5 - 1 3 0 ( 7 3 0 ) 横向 1 8 60 6 8 7 3 ( 0 7 0 ) 3 1 o2 5 d 4 1 4 ( 3 4 0 ) 纵向 1 8 60 6 2 0 9 8 ( 0 7 8 ) 1 1 6 3 一t 33 1 03 3 m 4 4 0 ( 3 8 5 ) ( 2 5 2 4 )横向 1 8 60 7 和1 1 4 ( o 9 2 ) 3 1 0 3 4 4 5 5 3 ( 4 7 0 ) 2 l 世纪初，美国和法国又开发了一些高疲劳性能a l c u m g 系合金，这些合 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 金的成分列于表l 一4 ： 表1 - 42 1 世纪a 卜c u m g 系合金成分 a l l o y s d a t e b y s if ec u m g m nz n t ic rz r a a 2 0 2 4 0 5 00 5 03 8 4 91 2 1 8o 3 0 o 9o 2 5 o 1 50 1 00 0 5 1 9 5 4 u s a a a 2 0 2 3 o 1 00 1 53 6 - - 4 51 o 1 60 3 0o 0 5 0 1 00 0 5 0 1 5 2 0 0 4 f r a a a 2 0 2 6 0 0 50 0 73 6 - 4 31 o 1 60 3 0 o 8o 1 0o 0 6 o 0 5 旬1 5 1 9 9 9 u s a a a 2 0 2 7 0 1 20 1 53 9 - - 4 91 o 1 50 5 1 20 2 0o 0 80 0 50 0 5 旬1 5 2 0 0 1f r a a a 2 0 9 8 0 1 20 1 53 2 3 8 0 3 o 8 o 3 50 3 5o 1 00 0 4 - - 0 1 8 2 0 0 0u s a a a 2 0 5 6 0 1 00 1 23 3 4 30 6 一1 40 1 0 m ) 5 0o i o o 1 50 0 8 0 1 5 2 0 0 3f r a 1 1 22 x x x 系a i - c u - m g 合金的国内发展 铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低等一系列优点， 在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业都有着广泛的应用前景及不可取代的地 位，尤其在航空方面，铝合金是飞机机体结构的主要用材。 在我国，航空材料基础研究起步较晚，从5 0 年代主要仿制前苏联的4 1 6 和 b 9 5 合金，研制成功了相应的2 a 1 2 和7 a 0 4 合金，热处理主要仅有自然时效t 3 和人工时效t 6 两种。7 0 年代为解决材料抗应力腐蚀问题，研制成功了高强度的 7 a 0 9 t 6 合金，该合金的铸造性能、工艺性能、抗应力腐蚀性能及综合性能均优 于7 a 0 4 合金。至8 0 年代中期，随着国家经济实力的增强和老飞机改型、新飞 机材料的研究等综合因素的影响，我国全面启动了2 0 2 4 - t 3 、t 6 和t 8 、2 1 2 4 - t 8 5 1 以及2 2 2 4 t 3 、2 3 2 4 t 3 9 等的研究工作。如东北大学 7 - 1 5 于1 9 9 9 年研究高纯硬 铝2 2 2 4 t 3 5 1 0 挤压型材在预拉伸变形度_ 1 3 时，国产型材时效后的力学性 能完全能达到美国波音公司材料标准b m s 7 2 2 5 c 的规定值，但未预拉伸的型材 0 0 2 则低于标准值，而 3 或达到5 的型材，延伸率6 则降到1 2 以下，达不 到标准规定值。同时研究2 3 2 4 t 3 9 厚板只有在预压延变形度e = 1 0 - 1 3 ，力学 性能才能达到波音材料标准b m s 7 2 5 4 e 的规定值。其强度o b 比2 0 2 4 一t 3 51 约高 1 0 ，o o 2 约高3 0 ，而韧性和抗疲劳性能又不低于后者。未预变形板材的强度 根本达不到b m s 7 2 5 4 e 标准的规定值。国家科委曾将该项新材料研究列入“八 五 攻关项目。2 0 1 4 t 6 5 1 板材的生产工艺参数：淬火温度5 0 2 。c ，淬火转移时 间少于3 0 s ，淬火4 h 后预拉伸形变量为1 5 3 ，间隔时间为2 4 - 4 8 h ，时效制度 1 6 0 5 。c 保温1 6 h ，其主要性能指标均达到a s t m - b 2 0 9 标准要求。 我国主要的运输机【l l , 1 2 】：运8 、运1 0 系列、运1 1 和运1 2 上都大量的选用 国产2 a 1 2 c z y u 预拉伸板，也使用2 1 2 4 等厚板。正在研制的新支线a r j 2 1 飞机 的选材仍以铝合金为主，机翼下壁板采用高损失容限型2 e 1 2 t 3 铝合金、 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 3 2 4 t 3 9 铝合金，也选用了2 a 1 2 等合金，但用量不大。 整体来看，我国高强铝合金研究水平基本跟上了世界研究的步伐，有一些研 究成果达到了国外先进水平【2 引。本论文中所使用的2 e 1 2 + z r 合金是在国产牌号 2 e 1 2 合金的基础上，进一步优化合金成分，由东北轻合金有限责任公司试生产 的国产牌号的合金。尽管我国在高强铝合金研究方面取得了许多成果，但与国外 水平相比仍有一定的差距。为了缩短差距，紧跟世界研究的步伐，尽快研制出与 2 5 2 4 合金性能相当甚至超过其性能的新一代合金工业规格产品已经势在必行。 1 22 x x x 系a l _ c u m g 合金的合金元素及其生成相 2 x x x 系a i c u - m g 合金是可热处理强化的变形铝合金，其中c u 和m g 为主 要合金元素，还包括微量元素m n 、z n 、c r 、t i 以及杂质元素f e 和s i 等 2 9 - 3 。 1 2 1 主合金元素 质t m g 图1 - 1a 卜c u _ m g 三元相图 二元a i c u 合金的c u 含量一般在2 - 1 0 范围之内，其中当c u 含量为4 - - 6 时合金具有最高的时效强度，c u 含量增加可显著提高合金的强度和硬度，但是 其延伸率略有下降。向a 1 - - c u - - 元合金中添加m g 元素时，m g 可以显著提高舢c u 合金自然时效后的力学性能，特别是对人工时效后强度性能的提高尤为显著，但 是延伸率也有较大降低【3 2 1 。 由a i c u - m g 系合金相图口川( 图1 1 ) 可知，在该系合金中除9 ( a 1 2 c u ) 和 ( m g s a l 8 ) - 元相外，还有s ( a 1 2 c u m g ) 和t ( a 1 6 c u m 9 4 ) 等两个三元相。工业 a 1 c u m g 系合金中，不出现t 和相，只有口( a 1 ) + 0 和口( a 1 ) + s 两相共晶或 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 口( a 1 ) + 目+ s 三相共晶。合金中c u 含量大于2 时出现o f ( a 1 ) + 0 两相共晶组织。 a 1 c u 合金中同时含有m g ，而且m g 0 2 ，s i 0 6 m g 含量时出现s 相， s i 0 6 m g 时，m g 全部生成m 9 2 s i 相。我国现行的a i - c u - m g 系硬铝合金中， c u 含量为2 2 - - - 5 ，一般含4 左右。m g 含量范围较大，从o 1 5 2 6 ，合 金中相组成主要取决于m g 的含量。2 a 1 0 、2 a 0 1 、2 a 1 3 、2 8 1 1 和2 a l l 合金含 m g 量小于o 8 ，m g 除溶入口( a 1 ) 外，剩余的m g 优先与硅生成m 9 2 s i 相，很 少有过剩m g 生成s 相。因此这些合金中，主要是口( a 1 ) + 日两相共晶体，即使出 现s 相，数量也较少。中等含m g 量的2 8 1 2 和2 a 1 2 合金( 1 2 1 8 m g ) 组织为 口( 舢) + 秒+ s 三相共晶体，并且随含m g 量增加，共晶体中的s 相增多。高含m g 量的2 a 0 6 、2 a 0 4 和2 a 0 2 合金( 1 7 - , 2 6 m g ) ，由于合金成分已处在相图的 口) + s 两相区内，故这些合金的铸态组织中口相已不存在，只有口+ s 两相共 晶体。该系列的合金的最主要强化相为8 ( c u a l 2 ) 和s ( a 1 2 c u m g ) 相。硬铝中以s 相的过渡相强化效果最好，口相的过渡相强化效果稍次。一般说来，若按质量计 算，c u m g _ 2 6 ，形成s + 0 相或口相。 2 x x x 系合金通常都含有少量的m n ，在m n 和m g 的含量都增加时 j 引，合 金的强度增加，但伸长率却有所下降。灿c u m g 合金中加m n ，主要是为了消 除f e 的有害影响和提高耐蚀性。m n 能稍许提高合金的室温温度，但使塑性有 所降低。m n 能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结 晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是m n a l 6 化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起 阻碍作用，m n a l 6 的另一作用是能溶解杂质f e ，形成( f e m n ) a 1 6 ，减小f e 的 有害影响。m n 还能延迟和减弱a i c u - m g 合金的人工时效过程，提高合金的耐 热强度。m n 也是使a 1 一c u - m g 合金具有挤压效应的主要因素之一。但m n 含量 不能太高( 1 ) ，否则形成粗大的脆性化合物，将降低合金的塑性。 1 2 2 杂质元素及其影晌 a 1 c u m g 系合金中，f e 、s i 是主要的有害杂质元素。f e 和s i 主要是存在 于原铝中，在熔炼时带进合金中的，f e 和s i 分别和主要合金元素形成m 9 2 s i 和 f e a l 3 相，其影响分别如下： s i 的影响：m g 含量低于1 0 的a l c u - m g 系合金，s i 含量超过o 5 ，能 提高人工时效的速度和强度，而不影响自然时效能力。因为s i 和m g 形成了m g e s i 相，有利于人工时效效果。但m g 含量提高到1 5 时，经淬火自然时效或人工 时效处理后，合金的强度和耐热性能随s i 含量的增加而下降。因而，s i 含量应 尽可能地降低。除此之外，s i 含量增加将使2 a 1 2 、2 a 0 6 等合金铸造形成裂纹倾 向性增加，铆接时塑性下降。 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 f e 的影响：f e 所形成的f e a l 3 化合物实际上不溶于固态铝中，并以粗大的 相组成物析出。f e 还与合金中的其他元素( c u 、m n 、s i ) 形成不溶性化合物。 这些粗大化合物使合金的塑性降低，并使半成品在变形时发生开裂。 当存在s i 时，少量f e ( o 2 o 2 5 ) 对合金的力学性能没有不利影响，还可 以大大减少铸造和焊接时的裂纹倾向。为了消除s i 在铸造和焊接时的有害影响， 应使合金中的f e 含量为s i 的1 1 1 5 倍。f e 含量更高时，由于f e 与c u 形成不 溶相c u 2 f e a l 7 或者( c u f e ) a 1 7 ( 当合金中无m n 时) ，或a i f e s i m n 、a 1 c u f e s i m n 相( 当合金含m n 时) ，使参加热处理强化的c u 含量减少，从而使合金的室温 性能降低。同时，由于不溶相数量的增加而使塑性降低。另外，f e a l 3 有细化再 结晶晶粒的作用，但对抗蚀性能影响较大。当有m n 存在时，f e 可溶入a t 6 m n 中形成a 1 6 ( f e m n ) ，使砧3 f e 与铝基体之间的电位差减小到可以忽略不计的程 度。因此，在铝合金中加入少量m n ，减少f e 的有害作用是其目的之一。 可见，为使铸造和变形a 1 c u - m g 系铝合金获得较高的塑性，提高材料的断 裂韧性和疲劳性能，应尽可能降低f e 和s i 的含量。 1 2 3 初生相、弥散相及析出相 铝合金中的第二相【3 9 ，加】通常分为三种：初生相、弥散相和析出相。 初生相一般指在合金熔体凝固过程中共晶反应时生成的粗大的中间合金相， 随着更高温的热处理而转变，比如均匀化热处