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文檔簡介
1、Al-Zn-Mg-Cu鋁合金具有比強度高、價格低廉及加工性能良好等優(yōu)點,被廣泛用作航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料。近年來,隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快,我國對大型飛機的需求也日益緊迫,這就急需高性能的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金板材。本論文工作依托國防重點攻關(guān)項目《××××鋁合金板材研制》,以航空用Al-Zn-Mg-Cu合金為研究對象,采用熱加工模擬、室溫拉伸、硬度、電導(dǎo)率、疲勞裂紋擴展、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕等實驗方法及金
2、相顯微鏡(OM)、電子顯微鏡(SEM、TEM)、差熱分析(DSC)、背散射電子衍射(EBSD)和X射線衍射(XRD、Micro-XRD)等檢測手段,系統(tǒng)研究了合金在不同熱加工工藝和熱處理條件下的顯微組織、性能及其變化規(guī)律,并從理論上進行了分析與討論,旨在為制定和優(yōu)化合金熱加工工藝、熱處理工藝以及改善合金性能提供理論依據(jù)。
試驗結(jié)果表明,鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn、Mg和Cu等元素偏聚在晶界處,形成了含有η相(MgZn
3、2)、S相(Al2CuMg)和T相(AlZnMgCu)的低熔點共晶組織,該共晶組織的熔點為475.2℃。鑄態(tài)合金經(jīng)過465℃/24h均勻化處理后,低熔點共晶相基本被消除,而Al7Cu2Fe相則很難溶入到基體中。Cr元素在Al-Zn-Mg-Cu合金中形成了Al18Mg3Cr2相(E相),主要分布在基體中。經(jīng)過均勻化處理后,E相沒有發(fā)生明顯變化。Er元素在Al-Cu-Mg-Er合金凝固過程中主要偏聚在晶界處,形成了Al8Cu4Er三元相。A
4、l8Cu4Er相在均勻化過程中不能被消除,而是在軋制過程中被軋碎,沿晶界呈條帶狀分布。本文發(fā)現(xiàn)在Al-Cu-Mg-Er合金基體中有少量的二次析出的Al3Er相存在。
研究了Al-Zn-Mg-Cu合金的熱變形行為,結(jié)果表明變形溫度低于390℃時,合金組織僅發(fā)生動態(tài)回復(fù);變形溫度為420℃時,合金組織已發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。合金適宜的熱加工溫度范圍為330℃~400℃,變形速率為0.1S-1。根據(jù)熱變形結(jié)果,計算出合金的熱變形激活能為
5、192.6KJ/mol,并據(jù)此構(gòu)建了合金的熱變形本構(gòu)方程。確定了合金的最佳T761工藝為125℃/3h+170℃/10h,在此條件下,合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和電導(dǎo)率分別為498MPa、429MPa、12.1%和40.2%IACS。確定了合金的最佳回歸再時效工藝為120℃/25h+190℃/10min+120℃/25h,在此條件下,合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和電導(dǎo)率分別為554MPa、507MPa、16.5%和35.4%I
6、ACS,與T6態(tài)合金性能相當(dāng)。采用上述T761工藝處理的Al-Zn-Mg-Cu合金板材滿足AMS-4085B對合金性能的要求,并已經(jīng)成功應(yīng)用于某大型飛機上。
研究發(fā)現(xiàn),在應(yīng)力比為0.1、加載頻率為10Hz條件下,RRA態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的疲勞裂紋擴展速率要小于T761態(tài)合金。RRA態(tài)合金晶內(nèi)析出了位錯可切割的GP區(qū)和η'相以及在晶界附近形成了較窄的無析出帶,導(dǎo)致在裂紋擴展的Paris區(qū)形成了大量的二次裂紋使裂紋擴展路
7、徑復(fù)雜,從而提高了疲勞裂紋的擴展抗力。而T761態(tài)合金晶內(nèi)則析出了位錯不可切割的粗大η'相以及在晶界附近形成了較寬的無析出帶,因而在裂紋擴展的Paris區(qū)有沿晶擴展的二次裂紋存在,使疲勞裂紋擴展抗力降低。
通過對T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞短裂紋擴展的EBSD分析發(fā)現(xiàn),短裂紋擴展路徑的偏折是由于相鄰晶粒的取向差較大而造成的。對T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞長裂紋尖端的塑性區(qū)進行了微區(qū)XRD分析,沒有發(fā)現(xiàn)疲
8、勞裂紋尖端處的第二相回溶現(xiàn)象。EBSD觀察發(fā)現(xiàn),在長裂紋擴展時,裂紋的實際擴展路徑傾向于沿晶界擴展。這表明,在疲勞裂紋尖端處,位于晶界的η平衡相不因位錯的往復(fù)滑移而發(fā)生回溶。
闡明了T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金疲勞裂紋的擴展方式,并提出了裂紋擴展方式轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)模型。隨著疲勞裂紋長度的增加,T761態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的裂紋擴展方式由短裂紋的穿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)殚L裂紋的沿晶擴展為主。短裂紋擴展受剪切機制的控制,因此在
9、該階段無析出帶對裂紋擴展的影響可以忽略。而長裂紋擴展是受雙滑移機制控制的,由于晶界處存在較寬的無析出帶,是合金微觀結(jié)構(gòu)中的薄弱部位,誘導(dǎo)長裂紋沿晶界擴展。
研究表明,RRA態(tài)、T761態(tài)和T6態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的剝落腐蝕性能依次降低,剝落腐蝕等級分別為EA-、EA和EB。T6態(tài)合金中連續(xù)分布的晶界η相促進了陽極溶解通道的形成,對剝落腐蝕性能不利。而T761態(tài)和RRA態(tài)合金中斷續(xù)分布的晶界η相則提高了合金的剝落腐蝕性能
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