（材料物理与化学专业论文）高强高韧alznmgcu合金疲劳断裂性能以及微观组织的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过扫描电子显微技术( s e v 0 、透射电子显微技术( t e m ) 以及电子背散 射衍射技术( e b s d ) 的观察和分析，研究了a 1 z n - m g - c u 系合金的疲劳、断裂的 微观特征、基本规律以及裂纹萌生与扩展的微观机制，并从理论上对其进行了分 析和讨论，得到了如下的主要结论： 1 过时效状态a 1 z n m g - c u 合金的断裂韧性主要受到第二相粒子的影响， 其断裂方式以粗大第二相粒子引起的韧窝断裂为主。由合金基体的强度和晶界沉 淀相的变化所引起的基体与晶界的差异会对合金的断裂方式和断裂韧性起到决 定性的作用。 2 础z n m g - c u 合金的疲劳损伤一般是由试样自由表面及其附近的富f e 相 粒子所引起的，引起疲劳损伤最初形成的粒子大小一般约为1 0 1 2 1 7 时微 裂纹一般在粒子中间断开处、粒子与基体的界面处、晶界以及表面凹坑等缺陷处 萌生，裂纹形成后，继续向纵深扩展，最后发生瞬断。 3 试样在3 3 0 m p a 的应力幅值下进行疲劳拉伸，其裂纹源区附近约1 7 0 x 19 0 9 m 2 的区域内没有观察到疲劳辉纹，随着裂纹的进一步扩展，可以逐渐观察 n - 次破裂、疲劳辉纹等典型的断口形貌，在可以观察到疲劳辉纹的区域内，疲 劳辉纹的间距随着裂纹扩展的进行而逐渐加宽。 4 a 1 z n - m g - c u 合金疲劳裂纹的扩展可分为三个阶段，当丛 1 6 m p a x m , y 2 时，为裂纹扩展的第一阶段，此阶段断口上有很多微小的峭壁：当1 6 m p a x m 尼 a k 3 3 m p a x m y 2 时，为裂纹扩展的第三阶段( 瞬断阶段) ，断口上可 以观察到大量的韧窝和破碎粒子，类似于静载拉伸的形貌。 5 a i z n - m g - c u 合金疲劳裂纹的扩展呈穿晶与沿晶混合的方式，相邻晶粒的 晶粒结构与裂纹扩展之间的关系遵循于裂纹尖端的晶体塑性变形机制。当相邻两 晶粒的有效滑移面间的面问角较大时，裂纹不能直接穿越晶界，倾向于沿晶扩展。 6 当疲劳裂纹穿越晶界进入下一个新的晶粒时，相比于扭转，裂纹尖端的 简单偏转更容易发生。 7 对于不同应力幅值下进行疲劳试验的合金，应力幅值越大，裂纹源距材 料的自由表面越近，无辉纹区域的面积也越小；裂纹扩展区中疲劳辉纹的间距、 裂纹扩展速率以及疲劳断口上瞬断区占总断面面积的比例也越大。 关键诃：砧一z n m g - c u 合金，疲劳断裂，显微组织，e b s d ，裂纹扩展 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a t i g u ea n df r a c t u r ep r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f - t h ef a t i g u es p e c i m e n h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gs e m ( i n c l u d i n ge b s d ( e l e c t r o nb a c k s c a t t e r i n g p a t t e r n s ) a n a l y s i st e c h n i q u e s ) a n d 删t e c h n i q u e s ，w h i c h r e v e a l s t h e m i c r o m e c h a n i s m so ff a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o na n dg r o w t h a f t e rf - t l r t h e ra n a l y s i st h e c o n c l u s i o n sc o m ea sf o l l o w ： 1 t h ef r a c t u r et o u g h n e s so fo v e r a g e da 1 一z n m g - c ua l l o yi sm a i n l ya f f e c t e db y t h es e c o n dp h a s ep a r t i c l e sa n dt h ef r a c t u r em o d eo ft h i sk i n do fa l u m i n u ma l l o yi s d i m p l ef r a c t u r ec a u s e db yc o a r s e ds e c o n dp h a s ep a r t i c l e s t h ev a r i a t i o no fs t r e n g t ho f t h ea l l o ym a t r i xa n dp r e c i p i t a t i o na tg r a i nb o u n d a r i e sg i v er i s et oad i s c r e p a n c y b e t w e e nm a t r i xa n dg r a i nb o u n d a r i e s ，w h i c hh a sa l le x t r e m ei m p a c to nf r a c t u r em o d e a n df r a c t u r et o u g h n e s so fa l l o y s 2 t h ef a t i g u ed a m a g eo fa 1 - z n m g - c ua l l o y sa r eu s u a l l yc a u s e db yf e - r i c h i n t e n n e t a l l i cp a r t i c e l sa to rn e a rt h es u r f a c eo ft h es p e c i m e n ，w h i c ha r ea p p r o x i m a t e l y iox12 - - , 17 1 t i n 2i ns i z e m i c r oc r a c k su s u a l l yi n i t i a t ei nd e f e c t ss u c ha sf r a c t u r e p a r t i c l e s ，i n t e r f a c eb e t w e e np a r t i l e sa n dm a t r i x ，g r a i nb o u n d a r i e so rs u r f a c ep i t s a f t e r i n i t i a t i o nf a t i g u ec r a c k sp r o p a g a t ef u r t h e rt o w a r d st h ec e n t e ro ft h es p e c i m e n , a n d f i n a l l yf a t i g u ef a i l l eo c c u r s 3 t h es p e c i m e nw a ss u b j e c t e dt oat e n s i l et e s tw i t hs t r e s sa m p l i t u d eo f3 3 0 m p a i nar e g i o no fa p p r o x i m a t e l y17 0x19 0 1 x r n 21 1 0s t r i a t i o n sw e r eo b s e r v e d a st h e f a t i g u ec r a c k sp r o p a g a t es e c o n d a r ys o m et y p i c a lf r a c t u r em o r p h o l o g y l i k ec r a c k sa n d s t r i a t i o n sc o u l db eo b s e r v e d i nr e g i o n sw h e r es t r i a t i o n sa r ev i s i b l eau n i f o r mi n c r e a s e i ns t r i a t i o nd i s t a n c ea st h ec r a c kl e n g t hi n c r e a s e d t 4 t h e r ea r e3s t a g e so ft h ec r a c kp r o p a g a t i o n , w h e n 从 1 6m p a 研7 2 ，i ti s t h ef i r s ts t a g e ，d u r i n gw h i c hag r e a tn u m b e ro fm i e r oc l i f f so nt h ef r a c t u r es u r f a c ec a n b eo b s e r v e d a f t e r w a r d sw h e n1 6 m p a m 必 a k 3 3m p ax 聊7 2 ， f r a c t u r ef a i l u r eo c c u r s ，l o t so fd i m p l e sa n df i a c t u r ep a r t i c l e sa r ev i s i b l e ，t h ef r a c t u r e s u r f a c ei sf a m i l i a rw i t ht h a to fs t a 矗ct e n t i o n 5 t h e p r o p a g a t i o n m o d eo fa l z n - m g - c u a l l o y si s am i x e dp a t t e r no f i n t e r g r a n u l a ra n dt r a n s g r a n u l a ro n e s n er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i s o r i e n t a t i o no f a d j a c e n tg r a i n sa n dp r o p a g a t i o no ff a t i g u ec r a c ko b e y st h ec r y s t a ld e f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fc r a c kt i p s w h e nt h ei n t e r f a c i a la n g l eo fa d j a c e n tg r a i n si sr e l a t i v e l y i i 中南大学硕士学位论文 w i d e ，f a t i g u ec r a c k sc a l l tp r o p a g a t et h r o u g ht h eg r a i nb o u n d a r i e sa n di sa p tt ob e i n t e r g r a n u l a r 6 、枷e l lf a t i g u ec r a c k sc r o s st h eg r a i nb o u n d a r i e sa n de n t e ra na d j a c e n tg r a i n ， c o m p a r e dw i t ht w i s t ，d e f l e c t i o no f t h ec r a c kt i pi sm o r e l i k e l yt oh a p p e n 7 f o re x p e r i m e n t a la l l o y si nt e s i l et e s t s ，w i 廿lt h ei n c r e a s eo fs t r e s sa m p l i t u d e , t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec r a c ks o u r c ea n dt h ef le es u r f a c eo ft h es p e c i m e nd e c r e a s e s ， a n dt h es i z eo ft h er e g i o nw i t h o u ts t r i a t i o n si ss m a l l e r a tt h es a n l et i m et h es t r i a t i o n d i s t a n c e ，t h eg r o w t hr a t eo fc r a c k sa n dt h es i z eo ft h ef a t i g u er u p t u r er e g i o ni n c r e a s e k e yw o r d s ：a 1 一z n m g - c u , f a t i g u e 劬c t l l r e ，m i c r o s 仃u c t u r e ，e b s d ，c r a c k p r o p a g a t i o n 1 i i 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 1 超高强a i z n m g c u 合金的发展概况 以a 1 - z n m g c u 为基的合金被称为高强铝合金，该系铝合金具有高的比强 度和硬度、热加工性能好、焊接性能优良、耐腐蚀性能好和韧性较高、耐久且经 济等优点，从而广泛应用于航空航天、军事、交通运输等领域，并成为这些领域 中的主要结构材料之一。美国将其编为7 x x x 系，前苏联将其定义为b x x 。由于 合金的化学成分、熔炼和凝固方式、加工工艺及热处理制度不同，合金性能差异 很大。现今北美研制的7 0 9 0 铝合金最高强度为8 5 5 m p a ，欧洲研制的铝合金强 度达到8 4 0 m p a ，日本研制的铝合金强度达到9 0 0 m p a ，而我国报道的铝合金的 强度达到7 4 0m p a 卜5 1 。 早在1 9 2 3 1 9 2 4 年德国科学家w s a n d e r 和k l m e i s s n e r 已指出m g 和z n 在 铝合金中的共同热处理强化效果，以后的高强高韧铝合金就是在此基础上发展起 来的。 1 9 3 2 年，k j 韦伯提出了一种含1 0 z n ，2 m g ，1 m n 的合金，这是第一 种以此为基础的高强铝合金。尽管在合金中添加c u 的同时加入了少量的m n ，有 效地改善了该合金的抗应力腐蚀( s c c ) 性能，但由于其仍具有较高的应力腐蚀敏 感性而未得到实际应用【6 】。 19 3 9 年，日本学者五十岚将c r 力日入到合金中开发出了e s d ( 超硬铝) 合金，该 合金具有很高的强度和较好的抗应力腐蚀性能，从而首次在飞机上得到应用【7 1 。 以此为基础，各国相继开发了一批含有少量c r 的高强铝合金。如美国于1 9 4 3 年开 发了7 0 7 5 合金，并第一次应用于b 2 9 型轰炸机上；7 0 7 5 t 6 合金厚板的横向应力 腐蚀开裂( s c c ) 性能很差，剥落腐蚀性能也不好。至u 1 9 6 0 年7 0 7 5 发展了二级时效 制度t 7 3 ，解决了厚截面的s c c 问题。后来的t 7 6 带i j 度所获得的强度处于t 6 和”3 制度之间，而其耐腐蚀性能满足要求。几十年来，为了解决高强合金作为飞机结 构材料的应力腐蚀开裂现象，研究者开始采用高纯合金，控f 1 l j f e 、s i 杂质含量， 调整主要成份使杂质弥散相数量减少，以改善合金的韧性。以此为原则各国相继 提出了改良型的新合金。美国于1 9 6 9 年研制成功7 4 7 5 合金，是超高强 灿z n m g - c u 合金中断裂韧性最高的合金。除了成分的调整外，加工过程也有所 改变，改变了晶粒度、均匀性、e ( a 1 1 2 m 9 2 c r ) 相的尺寸和间距，使性能获得改善。 在1 9 7 1 年，美国a l c o a 公司用z r 代替7 0 7 5 合金中的合金元素c r ，开发出具有 高强度、较高韧性和较好的抗腐蚀性能的7 0 5 0 合金。7 0 5 0 合金淬火敏感性低，特 别t 7 6 制度具有良好的综合性能，而成为2 0 世纪7 0 年代a l c o a 公司主要供应的 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 砧z n m g - c u 合金。1 9 7 5 年，英国的加拿大铝业公司( a l c a n ) 开发出t 7 0 1 0 合金i 引。 与7 0 5 0 合金相比，7 0 1 0 合金的c u 含量较低，7 0 1 0 合金的抗应力腐蚀( s c c ) 性能比 7 0 5 0 差，但由于合金中s ( a 1 2 c u m g ) 相的含量较低，其韧性要好于7 0 5 0 合金。 1 9 7 8 年，美国a l c o a 公司与b c a c 公司合作，对7 0 5 0 合金的成分限和热处理 制度进行了调整，设计出了新型的铝合金7 1 5 0 ，供货状态为t 6 时效制度【9 j 。2 0 世纪8 0 年代，a l c o a 公司在7 1 5 0 合金基础上，提高z n m g 值，成功研制出了7 0 5 5 合金，强度得到大大提高。1 9 9 1 年开发研制了t 7 7 f l ；l j 度，应用于7 1 5 0 和7 0 5 5 合金， 使合金在保留t 6 强度的同时，耐腐蚀性能和韧性明显改善。1 9 9 3 年t 7 7 制度申请 了专利。各国科研工作者普遍猜测t 7 7 制度为一种三级时效制度，即1 9 7 4 年c i n a 开发的黜认制度的改进。7 1 5 0 t 7 7 ( 2 5 m m 厚热轧板) 合金的屈服强度达6 1 4 m p a ， 而7 0 5 5 t 7 7 ( 2 5 m m 厚热轧板) 合金的屈服强度可达6 5 5 m p a 。7 15 0 合金和7 0 5 5 合金 主要应用于波音7 5 7 、7 6 7 、7 7 7 客机的上翼蒙皮和机翼结构件。 在8 0 年代，人们还利用粉末冶金法，在赳z n m g - c u 合金里n a c o 、z r 、c r 等合金元素，分别研发出了强度、耐应力腐蚀性能、韧性以及疲劳强度都非常好 的7 0 9 0 、7 0 9 1 和7 0 6 4 合金【。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始至今，也开始对a 1 z n m g - c u 合金进行了深入研 究，并开发和生产了适合我国国情的a 1 - z n m g - c u 合金。例如与7 0 7 5 相近的7 a 0 4 ( l c 4 ) 和7 a 0 9 ( l c 9 ) 合金，在新的国家标准中包括了1 8 种7 x x x 合金。但是，我国 a 1 z n m g - c u 合金研究有许多属于仿制性质，自行开发合金较少，只有加工工艺 和部分热处理制度由于受国外专利保护的原因，自行研究出的工艺才具有自己的 知识产权。我国曾经仿制研究的a 1 z n m g - c u 合金有：仿美国的典型合金有7 0 7 5 、 7 0 2 2 、7 0 0 1 、7 1 7 5 、7 4 7 5 、7 0 5 0 、7 1 5 0 、7 0 5 5 合金等；仿苏联的有b 9 5 、b 9 5 t i 、b 9 6t t 、b 9 6u 1 、b 9 6t 1 3 等合金。其中7 1 7 5 、7 4 7 5 、7 0 5 0 、7 1 5 0 、7 0 5 5 合 金及b 9 5nq 、b 9 6u 、b 9 6 t 1 1 合金的研究均是国家的“八五 和“九五 攻关 课题。这些课题的研究结果表明，我国砧z n - m g c u 合金研究水平基本跟上了世 界研究的步伐，许多研究成果达到了国外的先进水平。 1 2 砧z n m g c u 系合金的成分 高强高韧合金为热处理可强化合金，起主要强化作用的元素为z n 和m g ，c u 也有一定的强化效果，但其主要作用是为了提高材料的抗腐蚀性能。此外合金中 还有少量的m n 、c r 、z r 、n i 、t i 、b 等辅助元素，f e 和s i 在合金中是有害的杂质。 表1 1 、1 2 给出了部分7 x x x 系高强铝合金的成分和性能。 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 1 主合金元素 a l - z n - m g - c u 系合金的力学性能主要取决于z n 、m g 的含量，z n 和m g 在超高 强铝合金中形成主要强化相，随着z n 、m g 含量的增加，强度显著地增大。但超 高强铝合金在强度增大的同时，塑性、韧性及抗应力腐蚀性能都有减小的倾向。 z n 、m g 和a l 形成高浓度的三元固溶体t ( a 1 2 m g a z n 3 ) 相；z n 年f f m g 之间形成二元的 r ( m g z n 2 ) 相，这2 种相在合金中的溶解度随温度的降低急剧下降，因而超高强 铝合金具有很强的时效硬化能力。合理设计合金中z n 、m g 的含量，尤其是其质 量比对改善超高强铝合金的性能有重要意义。在一定范围内适当地提高z n m g 比，可以伎合金获得良好的综合性能。根据c c u h l 等的观点，z n m g = 2 7 2 9 ， 即z i l 】m g 比接近t ( a 1 2 m g a z n 3 ) 相的化合l l ( = 2 7 1 ) 时，合金的综合性能最好。也有 人认为若把z n m g 比提高到3 5 左右，可获得良好的静强度、疲劳强度和断裂韧性。 但当z n 含量超过7 时，合金与断裂韧性相关的性能急剧降低、焊接性能、耐蚀 性能显著恶化【l 。在一定范围内m 酷量过高会导致应力腐蚀开裂，加重s c c 的 敏感性。 表1 17 x x x 系高强铝合金的成分 在其溶解度范围内，向a 1 z n m g 合金中再加入c u 元素，c u 与a 1 、m g 结合 形成a 1 2 c u m g 强化相。可以改善z n 、m 毋量高时带来的塑性和抗腐蚀性能降低 的缺点，提高强度和重复加载抗力。美国f s l i n 等人研究了c u 的含量对7 x x x 系 铝合金疲劳强度的影响，从图1 1 所示的实验结划1 2 】可以看出在含6 z n 和2 m g 的铝合金中，在其溶解度范围内加入铜，合金的强度、塑性、疲劳强度都有不同 程度的提高。从图1 - 2 我们也可以看出随着铜含量的增加，试件的耐腐蚀性能明 显增加，当含量增大到1 5 时，它的耐腐蚀性能开始下降，铜能强化合金，主 要是通过固溶强化的作用 1 3 】。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 - 1c u 对6 z n ，2 m g 铝合金性能的影响 _ ，一 - 一一 _ j - 、 7 、 弋 、 f 、 图1 - 2 含6 z n ，1 5 m g 铝合金的耐腐蚀性能 1 含0 3 5 m m 和0 1 2 c r 的合金 2 不舍m n 和c r 的合金 在高z n 合金中，c u 原子溶人g p 区，可以提高g p 区的稳定温度范围，延缓时 效析出。c u 原子还可溶入巧和叩相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗 应力腐蚀性能。对于z n m g ：l , 较大的合金，提高其c u 含量，能够保持较高的韧性。 在超高强铝合金中保持较高的z n m g 比和c u m g 比是获到良好性能的基础。 锌、镁和铜对热处理效果的影响是不同的。增加锌和镁的浓度能同时提高淬 火和时效效应，但是当合金中含z n 多于5 时，加入c u 由于改变了固溶体浓度， 只影响淬火效应也就是说在这种情况下加入c u ，能同时提高强度、塑性、耐 腐蚀性和重复加载抗力【1 4 】。 袁1 27 x x x 系高强铝合金的力学性能 t 65 7 25 0 3 1 l 挤压件 7 0 7 5 t 7 35 0 34 3 41 3挤压件 t 6 15 5 2 4 9 61 2 薄板 7 4 7 5 t 7 65 5 24 8 9l l挤压件 t 7 45 2 44 6 9 l l 挤压件 7 0 5 0 t 7 6 5 1 6 0 6 5 7 2 1 2 厚板 ”7 5 l 6 0 65 6 51 2 厚板 7 1 5 0 t 7 7 5 1 l“86 1 3 1 2 挤压件 t 7 34 9 6 4 2 77 锻件 7 0 4 9 。 t 7 3 5 1 15 1 04 4 17 挤压件 7 1 4 9t 66 4 85 9 25锻件 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 微量合金元素 1 2 2 1 锰，铬，锆 向a 1 z n m g - c u 系合金中加入少量m n 、c r 和z r 之类元素，能提高强度性能 和耐腐蚀性能。图1 - 2 所示的试验结果表明含有m n 、c r 的合金的耐腐蚀性能与不 含的相比有明显的提高。m n 、c r 、z r 之类元素在合金中形成m n a l 6 、( c r f e ) a 1 7 、 ( c r m n ) a 1 1 2 以及a 1 3 z r 等相，有利于提高再结晶温度，阻止在热变形和随后淬火加 热时的再结晶过程的进行。最有效的添加剂是z r ，在一定含量范围内，z r 可形成 细小的a 1 3 z r 弥散相，抑制合金的再结晶和晶粒长大。近年来，国内外采用z 玳 替m n 、c r 等来控制铝合金的再结晶及晶粒度。法国的b r u c em o r e r e 等研究了a 1 3 z r 对热变形a a 7 0 1 0 铝合金再结晶的影响【1 5 】。英国的j d r o b s o n 等预测了7 0 5 0 铝合 金热轧板的再结晶体积分数【1 6 1 。 如图1 3 所示，z r 在铝中有3 种存在形式：( 1 ) 与砧生成灿3 z r 初晶；( 2 ) 析出 共格或非共格a i a z r 弥散质点；( 3 ) 溶入a l 中形成过饱和或高过饱和固溶体，z r 在a l 中平衡溶解度为0 2 8 ，半连续铸造快速冷却时溶解度可达0 3 5 。z r 在超 高强铝合金中的应用始于1 9 5 6 年前苏联研制的b 9 6 合金，之后逐渐成为超高强铝 合金中不可缺少的微量元素。添加z r 可以提高合金的抗应力腐蚀、抗剥落( 或层 状) 腐蚀性能，同时合金的淬火敏感性不会显著增大。 图1 - 3z r 在铝合金中存在形式的演变过程 我国些学者研究y z r 对超高强铝合金铸态组织品粒度和时效过程的影响。 发现z r 的作用主要表现在： ( 1 ) 抗应力腐蚀性能：z r 对抗应力腐蚀性能的贡献是间接的，是通过得到纤 s 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 维组织来实现的。根据d a y 等人的理论，小角度晶界比大角度晶界更有利于抗应 力腐蚀性能的提高。合金中添加z r 以后，经适当加工处理将得到纤维状组织，其 小角度晶界会提高合金的抗应力腐蚀性能。 ( 2 ) 淬火敏感性：z r 对合金淬火敏感性的影响是直接的。在合金固溶后缓慢 冷却时，已存在的高熔点a 1 3 z r 颗粒将会成为平衡沉淀相( m g z n 2 等) 的形核核心。 颗粒密度越高、尺寸越大，与基体的匹配关系越差，则越会成为平衡相的优先形 核位置，越有利于平衡相的析出，合金的淬火敏感性也就越大。相对于m n 、c r 等元素，含z r 的颗粒尺寸细d , ( 3 0 n m ) ，与基体具有良好的共格关系( 8 - - 0 8 ) ， 且颗粒密度相当，因此相应的淬火敏感性要小得多【1 7 1 8 1 。 ( 3 ) 抑制再结晶：z r 最显著的作用是抑制合金的再结晶行为，获得扁平的纤 维状组织，使变形过程中产生的高密度位错和变形组织得以保留下来。z r 的这种 作用是通过形成a 1 3 z f f l l 2 ) 中间相来实现的。a 1 3 z r 畏寸细小、密度大，与母相的 失配率只有0 8 ，是一种极为有效的强化弥敖体和再结晶抑制剂【l 圳。 ( 4 ) 断裂韧性：c q c h e n 2 0 的研究表明，含z 冶金的断裂韧性优于含m n 、 c r # 金。根据h a h n - r o s e n f i e l d 模型，颗粒与基体界面强度高、颗粒尺寸小、间距 大，均有利于改善合金的断裂韧性。a 13 z r ( d 0 2 3 ) 颗粒c = 1 7 2 9 n m ，a = 0 4 0 1 n m ， 其中a 与基体的a = 0 4 0 5 n m ! l l z 常接近，与基体呈半共格关系，a 1 3 z i ( l 1 2 ) 相与基体 完全共格。而含m n 、c r 颗粒与基体不共格。因此，共格半共格的a 1 3 z r 颗粒与基 体的界面强度大于不共格的含m n 、c r 颗粒与基体的界面强度。含m n 、c r 颗粒相 尺寸比灿3 z r 的粗大，含m n 、c r 相尺寸大约为7 0 n m ，而a 1 3 z r 尺寸小于3 0 n m 。另 外，含m n 、c r 颗粒为不规则形状，砧3 z r 颗粒则为球形。因而，a 1 3 z r 颗粒的界面 强度、颗粒大小及形状都有利于提高合金的断裂韧性。 1 2 2 2 钪 钪对铝合金组织和性能的影响是近年来研究的热门课题。铝合金中加入s c 后在均匀化或固溶过程中析出与基体共格的弥散相a 1 3 s c ，与a 1 3 z r 有相似的作 用，能够有效地抑制再结晶，但效果更佳。根据文献报道f 2 ，当7 0 7 5 合金中钪 的添加量超过0 2 8 ( 质量分数) 时，晶粒尺寸迅速减小，同时晶型也从树枝晶向 等轴晶转变。此外，a 1 3 s c 本身细小均匀，可以细化铸态组织，但当加入钪的量 不足以形成a 1 3 s c 粒子时，晶粒细化作用不会发生。s c 还可以增加保留在固溶体 中主要合金元素z n 、m g 、c u 的量，降低铸造后形成r 相的量。向合金中添加适 量的钪可以在不降低延伸率的情况下增加合金中锌的含量，从而提高铝合金的综 合性能【2 1 , 2 2 】。另外，s c 还能改善合金的抗腐蚀性能与焊接性能。近年来，俄罗 斯采用向a 1 z n m g 合金中同时添n s c 和z r 的方法，开发出抗疲劳性能、焊接性 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 能和韧性好的高强铝合金。 1 2 2 3 锂 在a 1 z n m g - c u 系合金中添加锂元素对于7 x x x 系合金的轻量化及改善力学 性能均有积极的意义，但是添加量应当严格控制【2 3 1 。当合金中锂的含量大于1 7 时，由亚稳、有序、共格的扩( a 1 3 “) 相取代r 相成为主要强化相，使得合金的力 学性能显著下降。这是因为锂的空位结合能较高，锂原子能够首先捕获淬火时形 成的空位。当合金中锂的含量大于1 7 时，固溶处理后合金中空位密度大大降低， 从而降低t z n 、m g 原子的扩散速度，抑制了基体中富z n 相的均匀形核及刁的粗 化。并且l i 还会促使富z n 、m g 相首先以大粒子形式在晶界析出，从而使断裂模 式由穿晶断裂向沿晶断裂转变，合金的延伸率下降。锂的浓度适当时，锂原子与 空位形成l i v 基团，减缓z n 、m g 原子的扩散速度，阻碍，7 相的粗化长大，有利 于7 7 相的细小弥散分布。 1 2 2 4 银，铍 p o l m e a r - 等t 2 4 粕】发现在a 1 z n m g ( c u ) 合金中加入a g 不会提高合金的时效硬 度和强度峰值水平，但会显著扩大合金获得时效峰值的温度范围，在2 2 0 仍保 持高硬度和强度。含a g 合金中巧相弥散度较高，这与a g 刺激，7 相形核、提高g p 区的数目或g p 区的溶解温度从1 2 0 - 、, 1 4 0 c 升高到2 0 0 左右有关。对含a g 的7 x x x 系合金( 7 0 5 5 0 2 a g ) 的时效动力学及组织的研究表明：1 2 0 ( 2 及1 5 0 c 单级时效， a g 的添加促进g p 区的析出，加速时效响应，提高了g p 区和玎相的稳定性。回归 再时效中，a g 的添加促使g p 区溶解温度和刁相稳定性的提高，1 8 0 c 回归再时效， 合金的强度保持稳定，而2 0 0 c 和2 2 0 回归再时效则强度先是增大，然后逐渐减 小。 1 2 2 4 镍 在- z n m g - c u 系合金中添加镍生成a 1 3 n i 相，有利于降低铸锭形成热裂纹的 趋势，促进基体中沉淀的析出，提高抗应力腐蚀能力【2 7 - 2 9 1 。 1 2 2 5 稀土元素 根据报道f 3 0 l ，7 0 7 5 合金中加入微量稀土，一部分稀土可以溶入t 相和s 相， 生成极其细微弥散的块状化合物( a 1 z n m g c u r e ) 禾 ( a 1 c u m g r e ) 。新相 a l z 州g c u r e 可阻碍和钉扎位错，对合金有强化作用。由于稀土的加入，合金弹 性模量略有提高，旋转疲劳寿命延长，高温瞬时拉伸的延伸率有提高趋势，抗拉 7 第一章文献综述 强度和屈服强度略有提高。另外，向铝合金中加入稀土元素可以提高氢在铝合金 中的固溶度以及形成稳定的稀土化合物来减少氢的危害。 1 2 3 杂质元素 为了提高灿z n m g - c u 系铝合金的塑性和可靠性，要限制铁和硅杂质的含 量，以减少有利裂纹扩展的金属间化合物的尺寸和数量。 当硅含量达0 1 时，铁含量由0 4 降n o 1 ，对半制品的强度性能没有明 显的影响，但能显著地提高半制品的塑性，特别是垂直于纤维方向的塑性。这时 伸长率提高1 0 - 1 5 ，面缩率提高1 5 3 0 ，带有裂纹试样的断裂功提高了 2 2 5 倍，静态持久强度提高2 0 - - 4 0 铁和硅含量如此强烈地影响半制品的 塑性，是与形成粗大的不溶相a 1 6 f e 、a 1 3 f e 、a 1 f e m n s i 有关，它们在变形方向上 以条状物析出比如降 f k 乇7 0 7 5 中铁、硅杂质含量，精制后的合金标为7 4 7 5 ，通过 这一成分上的改变，它的断裂韧性增加了表1 3 列举了一些高强度变形铝合金 的纯度对断裂韧性的影响 表1 - 3 一些高强度变形铝合金的纯度对断裂韧性的影响 1 3 舢z n m g c u 系合金的性能特点及应用 a i - z n m g - c u 合金的发展遵循了高强度低韧性一较高强度高韧性一高强度高 韧性一高强度高韧性高耐腐蚀性的路线。从2 0 世纪4 0 年代起，就开发出了使合金 具有高强度的峰时效和高韧性耐腐蚀性的过时效状态。2 0 世纪7 0 年代后期，美国 a l c o a 公司大力发展了快凝粉末铝合金p m 7 0 9 0 和p m 7 0 9 11 3 1 j ，强度可达8 5 5 m p a 。 同时对高强铝合金的形变热处理做了大量的研究，推出了i t m t 、f t m t 、f s t m t 等工斟3 2 ，3 3 1 ，其中f t m t 方法制备合金的强度可提高2 0 2 5 ，塑性和韧性略有降 低。在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代，a l c o a 公司又开发了7 1 5 0 t 7 7 5 1 和7 0 5 5 一t 7 7 5 1 合 金，使础z n m g - c u 合金的具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性，综合性能大幅度 提高。 前苏联对趾z n m g - c u 合金的研制始于1 9 5 6 年。先后开发出b 9 5 、b 9 5 nq 、 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 b 9 6h 、b 9 6u 1 、b 9 6i i 3 等合金，开发出t 1 、t 2 、t 1 2 、t 3 等热处理制度，特 别t 2 制度在强度降低很小的前提下，提高了耐腐蚀性、断裂韧性，降低了裂纹 的扩展速率。现在俄罗斯已保证b 9 6u 型合金( 成分接近7 0 5 5 ) 的抗拉强度和屈服 强度分别达到7 0 0 m p a 和6 5 0 m p a ，已进入试用阶段【3 4 1 。日本的t o y oa l u m i n u mi c + k 和k y o t ou n i v e r s i t y 共同研制的m c s o a l i t e 合金的抗拉强度可达9 0 0 m p a ，延伸率 为1 3 5 j 。 a 1 z n m g - c u 系铝合金由于它的这些性能特点，被广泛应用于航空和航天领 域，并成为该领域中最重要的结构材料之一。表1 - 4 给出了某些7 x x x 铝合金的主 要特性及应用举例。 表1 4a 1 一z n - m g c u 系合金的性能特点及应用举例 合金主要特点主要制品及状态 主要用途 7 0 7 5 7 0 4 9 7 1 4 9 7 4 7 5 固溶处理后塑性好，热处理强化效 果特别好，在1 5 0 以下有高强度， 焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾 向，双级时效可提高抗s c c 性能 可代替7 0 7 9 合佥，强度高，抗s c c 性能好，抗普通腐蚀能力不强 强度和抗s c c 性能好，断裂韧性好 于7 0 4 9 ，是7 0 4 9 的改良型合金 强度、断裂韧性高，抗疲劳性能好， 抗蚀性f f 7 6 ) 也好，有很好的综合 性能；采用特殊加工工艺可使其具 超塑性 t 6 、t 7 3 薄板：t 6 5 1 、t 7 3 5 1 厚板；t 6 、1 7 3 、1 r 7 3 5 2 锻件； 飞机上、下翼面壁板， t 6 5 11 、t 7 3 5 1l 挤压件 格条，隔框 t 7 3 5 l l 、盯6 5 1 1 挤压件；t 7 3 、 t 7 3 5 2 锻件；1 r 7 3 薄板和厚板 t 7 3 、t 7 4 、1 7 4 5 2 锻件； t 7 3 5 1 l 、t 7 6 5 1 1 挤压件 飞机主起落架，导弹配 件 同上 机身、机翼蒙皮，中央 t 7 6 、t 7 6 1 薄板，t 6 5 1 、t 7 6 5 1 翼结构件，翼梁，舱壁， 和t 7 3 5 1 厚板薄板t - 3 9 隔板，直升机舱 板，起落架舱门 强度高，断裂韧性、抗应力腐蚀和t 7 6 5 l1 、t 7 3 5 l l 、1 7 4 5 1 1 挤飞机机身框架机翼蒙 7 0 5 0 抗剥落腐蚀性能好，淬火敏感性压件；”4 5 2 自由锻件：t 7 6 、 皮，舱壁，条加强筋 小，可制大型件t 7 6 5 2 、t 7 4 5 2 模锻件：盯3 肋托架，起落架支承 线材：”6 包铝薄板 部件，座椅导轨，铆钥 具有与7 0 5 0 大致相同的特点，降低 7 0 1 0 了c u 含量，克服1 r 7 0 5 0 合金铸造t 7 6 5 1 厚板；3 7 4 、t 7 4 5 2 锻件同上 裂纹问题 7 0 5 5 抗压和抗拉强度l t 7 1 5 0 高1 0 ，断t 7 7 5 l 厚板和挤压件；”7 5 l l飞机上翼蒙皮，长桁， 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 l o 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 铝合金的疲劳与断裂 材料在变动载荷和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象称为疲 劳。疲劳断裂，尤其是高强度材料的疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难 以检测和预防。因此，疲劳破坏引起的失效在工程失效中越来越突出，也使得人 们越来越重视疲劳破坏的影响。 一 ， a 1 z n m g c u 系铝合金作为关键主承力构件，特别是在其各项性能经过进化 以及生产工艺得到优化之后，在航空、航天、车辆、舰船和精密仪器等领域得到 广泛应用。同时，材料断裂失效造成的事故往往会使生命和财产受到巨大的损失。 这当中绝大多数断裂是由疲劳引起的，在机械零部件的断裂失效总数中，疲劳失 效占5 0 - - 9 0 ，在某些领域( 如航空航天) 可能占8 0 - 9 0 。疲劳失效中8 0 以上 裂纹起始于表面缺陷，如加工刀痕、划伤、冶金缺陷等局部应力集中处。 现代设计技术对构件高承载、轻重量、低成本、长寿命、抗恶劣环境和高可 靠使用等要求，将应用技术提升到前所未有的重要地位。高强度合金固有强度利 用系数和构件长寿命不断增加的要求，进一步加强了这一地位。因此，为把先进 设计、先进材料和其他技术转化为高性能产品，各先进国家无不把注意力集中到 研究、创新和开发先进应用技术上来。其中高强度合金表面完整性抗疲劳应用技 术占有核心和关键地位【3 6 】。 1 4 1 疲劳研究的发展 1 8 2 9 年前后，德国矿业工程师w a ja l b e r t 通过对矿山升降机上铁链的反复 加载试验，进行了关于金属疲劳的最初研究。18 4 3 年，一位名n q w j mr a n k i n e 的英国铁路工程师对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力 集中的危险性。与此同时，英国机械工程师学会也开始研究所谓的疲劳“晶化理 论 ，认为导致最终疲劳破坏的材料弱化是作为材料基础的微观结构发生晶化的 结果。1 8 4 9 年，e a h o d g l d n s o n 用梁做交变弯曲试验，研究用以制造铁路桥梁 的锻铁和铸铁的疲劳性能。同一时期，b r a i t h w a i t e 在他的著作中记述了有关金属 疲劳断裂的研究内容。 1 9 世纪中叶，w o h l e r 通过对火车车轴的疲