【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等領域的主要結構材料。鋁合金在大型飛機上的應用占據了結構材料重量的60%～80%,而高性能的Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金作為主要的承力構件材料,其使用比例占飛機上總的鋁材用量的35%～50%(質量分數)。以A380客機結構的設計準則來看,只有開發(fā)新型鋁合金材料和研究新的工藝技術才能實現性能改進,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)應力-應變行為、應力腐蝕行為、疲勞裂紋萌生以及疲勞裂紋擴展行為等進行的研究報道,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構變化的研究較少。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用及其抗疲勞設計提供可靠的理論依據。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,晶內析出相細小,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%的外加總應變幅下主要表現出穩(wěn)定的循環(huán)應力響應行為,而在0.8%的外加總應變幅下,則大多表現為先循環(huán)應變軟化后循環(huán)應變硬化。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%外加總應變幅范圍內,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合金的塑性應變幅、彈性應變幅與載荷反向周次之間均呈線性關系,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)應力幅△σ/2與塑性應變幅△εp/2之間也均呈線性關系。低周疲勞加載條件下,當外加總應變幅較低時,不同熱處理狀態(tài)Al-7.2Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.08Zr-0.12Sc合金中的位錯亞結構主要為偶極子列和層錯列,呈現平面滑移特征,而當外加總應變幅較高時,則位錯發(fā)生交滑移,細小的GP區(qū)與η’相被反復剪切,導致循環(huán)應變軟化,而后位錯被釘扎及發(fā)生纏結,導致循環(huán)應變硬化。此外,在外加總應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,并以穿晶方式擴展。
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【學位授予單位】：沈陽工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21;TG166.3

【參考文獻】

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本文編號：2475400