2E12-Zr铝合金的热处理与微观组织及力学性能研究

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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。
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