挤压变形Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的组织与低周疲劳行为

发布时间：2019-05-12 12:39

【摘要】：Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金在特定的热处理状态下具有较高的硬度、韧性、断裂强度、较强的疲劳抗力以及较好的耐腐蚀性能,是航空航天及交通运输等领域的主要结构材料。铝合金在大型飞机上的应用占据了结构材料重量的60%～80%,而高性能的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金作为主要的承力构件材料,其使用比例占飞机上总的铝材用量的35%～50%(质量分数)。以A380客机结构的设计准则来看,只有开发新型铝合金材料和研究新的工艺技术才能实现性能改进,而微合金化和热处理是改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金性能的重要途径。以往已有针对不同系列铝合金的疲劳行为包括循环应力-应变行为、应力腐蚀行为、疲劳裂纹萌生以及疲劳裂纹扩展行为等进行的研究报道,但对含Zr和Sc的Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究则主要集中于显微组织、拉伸性能以及抗应力腐蚀性能等方面,而针对其疲劳性能方面以及疲劳过程中微观结构变化的研究较少。因此,本文主要研究了不同热处理状态下Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的显微组织与低周疲劳行为,以期为该类合金的实际工程应用及其抗疲劳设计提供可靠的理论依据。Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的铸态组织为等轴晶,并残留大量的非平衡共晶组织,对其均匀化处理后,非平衡共晶组织溶解,并在基体析出大量Al3(Sc, Zr)相。挤压变形Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金经双级固溶处理后,第二相的回溶比较完全,且与单级固溶制度相比,可有效地增加固溶体的过饱和度,提高合金的时效强化效果。时效态挤压变形Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中,除α-A1基体相外,还存在GP区、η过渡相、η平衡相以及晶间无析出带(Precipitate Free Zone, PFZ)。在单级时效状态下,晶内析出相细小,晶界析出断续分布的平衡相,并存在晶间无析出带；双级时效状态下,晶内及晶界析出相均长大,晶界析出相孤立分布,晶间无析出带宽化；回归再时效处理状态下,晶内析出相较单级时效略有长大,晶界处组织与双级时效相似。在外加总应变控制的低周疲劳加载条件下,不同热处理状态Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金在0.4%～0.7%的外加总应变幅下主要表现出稳定的循环应力响应行为,而在0.8%的外加总应变幅下,则大多表现为先循环应变软化后循环应变硬化。在单级时效状态下,150℃×36h时效处理状态的Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金表现出了较高的循环变形抗力与较长的低周疲劳寿命。与150℃C×36h的单级时效处理相比,150℃×18h+170℃×12h双级时效处理可以有效地提高合金的低周疲劳寿命,但合金的疲劳变形抗力降低。在0.4%～0.6%外加总应变幅范围内,回归再时效处理能有效地提高合金的低周疲劳寿命,而在0.4～0.8%的外加总应变幅下,回归再时效状态的Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的疲劳变形抗力接近150℃×36h时效处理状态。不同时效状态Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的塑性应变幅、弹性应变幅与载荷反向周次之间均呈线性关系,并可分别用Coffin-Manson公式和Basquin公式来描述,且不同时效状态Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的循环应力幅△σ/2与塑性应变幅△εp/2之间也均呈线性关系。低周疲劳加载条件下,当外加总应变幅较低时,不同热处理状态Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中的位错亚结构主要为偶极子列和层错列,呈现平面滑移特征,而当外加总应变幅较高时,则位错发生交滑移,细小的GP区与η’相被反复剪切,导致循环应变软化,而后位错被钉扎及发生缠结,导致循环应变硬化。此外,在外加总应变控制的低周疲劳加载条件下,不同热处理状态Al-7.2Zn-2.5Mg- 1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中,疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于疲劳试样表面,并以穿晶方式扩展。
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【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21;TG166.3

【参考文献】