2E12-Zr铝合金的热处理与微观组织及力学性能研究

论文摘要

本论文研究了热处理制度对2E12+Zr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（TEM）、以及扫描电镜（SEM）观察,得到的主要结论如下:（1）通过DTA实验,确定合金的过烧温度是503℃。通过SEM观察发现,难溶相主要是AlCu,AlCuMn及AlCuMg粒子。2E12+Zr合金经500℃×40min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,GPB区是合金的主要强化相。T3状态比T4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GPB区析出的结果。（3）人工时效后,S’相是合金的主要强化相。T6状态在10h达到峰值,T8状态的峰值时间提前2h,拉伸强度和屈服强度比T6工艺均提高40MPa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2E12合金相比,2E12+Zr合金自然时效后,合金的抗拉强度下降了约20～30MPa,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2E12合金的强度下降了约40～50MPa,屈服强度下降了约10～30MPa,而伸长率提高了2～5个百分点。这是因为微量Zr的添加,降低了GPB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,2E12+Zr合金T3状态具有较好的耐损伤疲劳性能,在106循环周次下的疲劳强度σmax=280Mpa,高于T4状态σmax=270Mpa。缺口的存在降低了疲劳极限,Kt=3时的疲劳强度不及Kt=1时的一半。（6）T3和T4两种自然时效状态下,2E12+Zr合金L-T方向的疲劳裂纹扩展可分三个阶段,当R=0.5时,△K在5.5Mpa×m1/2以下时,为裂纹扩展第Ⅰ阶段;△K在5.5Mpa×m1/2～18Mpa×m1/2之间时,为裂纹扩展第Ⅱ阶段;当△K大于18Mpa×m1/2后,为裂纹扩展的第Ⅲ阶段。T3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T4工艺在前两个阶段的曲线倾斜较大,且迅速进入瞬断阶段。（7）2E12+Zr合金T3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△K＜7.3Mpa×m1/2时,为裂纹扩展第Ⅰ阶段;△K在7.3Mpa×m1/2～30Mpa×m1/2之间,为裂纹扩展第Ⅱ阶段;当△K=30Mpa×m1/2时,da/dN为3.2×10-3mm/cycle,△K＞30Mpa×m1/2为裂纹扩展的第Ⅲ阶段。（8）T3状态,2E12+Zr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）T3状态,R=0.5和R=0.1时,2E12+Zr合金的裂纹扩展速率在疲劳裂纹的初始阶段快于2E12合金,随着△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。（10）2E12+Zr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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACTS
• 第一章 文献综述
• 1.1 2xxx系Al-Cu-Mg合金的发展与研究现状
• 1.1.1 2xxx系Al-Cu-Mg合金的国际发展
• 1.1.2 2xxx系Al-Cu-Mg合金的国内发展
• 1.2 2xxx系Al-Cu-Mg合金的合金元素及其生成相
• 1.2.1 主合金元素
• 1.2.2 杂质元素及其影响
• 1.2.3 初生相、弥散相及析出相
• 1.3 Al-Cu-Mg系合金的热处理制度
• 1.3.1 固溶处理
• 1.3.2 形变热处理
• 1.3.3 时效及硬化机理
• 1.4 材料的疲劳概述
• 1.4.1 疲劳断裂的分类
• 1.4.2 材料疲劳性能的表征——疲劳寿命曲线
• 1.4.3 疲劳裂纹扩展的表征——疲劳裂纹扩展曲线
• 1.4.4 疲劳断裂微观机理
• 1.4.5 国内外2×××铝合金疲劳性能的部分研究工作
• 1.5 本文研究目的和内容
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 合金成分
• 2.1.2 中间退火工艺制度
• 2.1.3 轧制工艺制度
• 2.2 性能测试
• 2.2.1 DTA测试
• 2.2.2 拉伸性能测试
• 2.2.3 疲劳寿命曲线测试
• 2.2.4 疲劳裂纹扩展速率测试
• 2.2.5 金相样品的制备及观察
• 2.2.6 扫描电镜观察
• 2.2.7 透射电镜样品的制备与观察
• 第三章 热处理工艺对2E12+Zr合金组织和拉伸性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 2E12+Zr合金过烧温度及金相组织
• 3.3 固溶制度对2E12+Zr合金组织和拉伸性能的影响
• 3.3.1 固溶温度对合金组织和拉伸性能的影响
• 3.3.1.1 拉伸性能
• 3.3.1.2 固溶温度对析出相的影响
• 3.3.2 固溶时间对合金组织和拉伸性能的影响
• 3.3.2.1 拉伸性能
• 3.3.2.2 固溶时间对析出相的影响
• 3.3.3 分析与讨论
• 3.4 自然时效对2E12+Zr合金组织和拉伸性能的影响
• 3.4.1 拉伸性能
• 3.4.2 TEM观察
• 3.4.3 SEM观察
• 3.4.4 分析与讨论
• 3.5 人工时效对2E12+Zr合金组织和拉伸性能的影响
• 3.5.1 拉伸性能
• 3.5.2 TEM观察
• 3.5.3 SEM观察
• 3.5.4 分析与讨论
• 3.6 锆对2E12合金组织和拉伸性能的影响
• 3.6.1 自然时效的拉伸性能和组织
• 3.6.2 人工时效的拉伸性能和组织
• 3.6.4 分析与讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 2E12+Zr合金疲劳性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 2E12+Zr合金的应力疲劳性能
• 4.2.1 T3、T4状态的疲劳性能
• 4.2.2 疲劳断口分析
• 4.2.3 分析讨论
• 4.3 2E12+Zr合金疲劳裂纹扩展速率
• 4.3.1 T3、T4热处理工艺下2E12+Zr合金的疲劳裂纹扩展速率
• 4.3.2 2E12+Zr合金不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率
• 4.3.3 2E12+Zr合金不同取向的疲劳裂纹扩展速率
• 4.3.4 2E12+Zr合金和2E12合金疲劳裂纹扩展速率的比较
• 4.3.5 分析讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果