【摘要】：Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金在特定的熱處理狀態(tài)下具有較高的硬度、韌性、斷裂強度、較強的疲勞抗力以及較好的耐腐蝕性能,是航空航天及交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料。鋁合金在大型飛機上的應(yīng)用占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料重量的60%～80%,而高性能的Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金作為主要的承力構(gòu)件材料,其使用比例占飛機上總的鋁材用量的35%～50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。以A380客機結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則來看,只有開發(fā)新型鋁合金材料和研究新的工藝技術(shù)才能實現(xiàn)性能改進(jìn),而微合金化和熱處理是改善Al-Zn-Mg-Cu鋁合金性能的重要途徑。以往已有針對不同系列鋁合金的疲勞行為包括循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變行為、應(yīng)力腐蝕行為、疲勞裂紋萌生以及疲勞裂紋擴(kuò)展行為等進(jìn)行的研究報道,但對含Zr和Sc的Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究則主要集中于顯微組織、拉伸性能以及抗應(yīng)力腐蝕性能等方面,而針對其疲勞性能方面以及疲勞過程中微觀結(jié)構(gòu)變化的研究較少。因此,本文主要研究了不同熱處理狀態(tài)下Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的顯微組織與低周疲勞行為,以期為該類合金的實際工程應(yīng)用及其抗疲勞設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的鑄態(tài)組織為等軸晶,并殘留大量的非平衡共晶組織,對其均勻化處理后,非平衡共晶組織溶解,并在基體析出大量Al3(Sc, Zr)相。擠壓變形Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金經(jīng)雙級固溶處理后,第二相的回溶比較完全,且與單級固溶制度相比,可有效地增加固溶體的過飽和度,提高合金的時效強化效果。時效態(tài)擠壓變形Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中,除α-A1基體相外,還存在GP區(qū)、η過渡相、η平衡相以及晶間無析出帶(Precipitate Free Zone, PFZ)。在單級時效狀態(tài)下,晶內(nèi)析出相細(xì)小,晶界析出斷續(xù)分布的平衡相,并存在晶間無析出帶；雙級時效狀態(tài)下,晶內(nèi)及晶界析出相均長大,晶界析出相孤立分布,晶間無析出帶寬化；回歸再時效處理狀態(tài)下,晶內(nèi)析出相較單級時效略有長大,晶界處組織與雙級時效相似。在外加總應(yīng)變控制的低周疲勞加載條件下,不同熱處理狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金在0.4%～0.7%的外加總應(yīng)變幅下主要表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為,而在0.8%的外加總應(yīng)變幅下,則大多表現(xiàn)為先循環(huán)應(yīng)變軟化后循環(huán)應(yīng)變硬化。在單級時效狀態(tài)下,150℃×36h時效處理狀態(tài)的Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金表現(xiàn)出了較高的循環(huán)變形抗力與較長的低周疲勞壽命。與150℃C×36h的單級時效處理相比,150℃×18h+170℃×12h雙級時效處理可以有效地提高合金的低周疲勞壽命,但合金的疲勞變形抗力降低。在0.4%～0.6%外加總應(yīng)變幅范圍內(nèi),回歸再時效處理能有效地提高合金的低周疲勞壽命,而在0.4～0.8%的外加總應(yīng)變幅下,回歸再時效狀態(tài)的Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的疲勞變形抗力接近150℃×36h時效處理狀態(tài)。不同時效狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的塑性應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅與載荷反向周次之間均呈線性關(guān)系,并可分別用Coffin-Manson公式和Basquin公式來描述,且不同時效狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金的循環(huán)應(yīng)力幅△σ/2與塑性應(yīng)變幅△εp/2之間也均呈線性關(guān)系。低周疲勞加載條件下,當(dāng)外加總應(yīng)變幅較低時,不同熱處理狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中的位錯亞結(jié)構(gòu)主要為偶極子列和層錯列,呈現(xiàn)平面滑移特征,而當(dāng)外加總應(yīng)變幅較高時,則位錯發(fā)生交滑移,細(xì)小的GP區(qū)與η’相被反復(fù)剪切,導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)變軟化,而后位錯被釘扎及發(fā)生纏結(jié),導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)變硬化。此外,在外加總應(yīng)變控制的低周疲勞加載條件下,不同熱處理狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg- 1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中,疲勞裂紋均以穿晶方式萌生于疲勞試樣表面,并以穿晶方式擴(kuò)展。
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【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21;TG166.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2475400