喷射成形2195铝锂合金微观组织演变及低周疲劳行为研究

发布时间：2020-04-08 16:58

【摘要】：第三代铝锂合金作为一种新型铝合金,由于其低密度、高强度、高刚度等优良特性,被逐渐用来替代飞行器上传统使用的2xxx系和7xxx系铝合金,有利于实现飞行器结构部件的轻量化,提高飞行器的运载能力,在航空航天领域显示出广阔的应用前景。然而,目前国内外文献中关于铝锂合金微观组织与力学性能尤其是抗疲劳性能方面的研究依然不够充分,直接影响了铝锂合金微观组织与宏观性能关系的建立,以及合金产品可靠性和使用寿命的评估。因此,有必要开展铝锂合金微观组织演变与低周疲劳行为的相关研究。本文以喷射成形2195铝锂合金为研究对象,研究揭示了合金在热挤压及热处理过程中的微观组织演变规律,分析了材料在循环载荷作用下的变形行为并预测了低周疲劳寿命,并阐明了合金循环变形机理和疲劳断裂模式。本研究主要工作及结论如下:(1)研究了合金微观组织(包括晶粒形貌、第二相颗粒和晶体学织构)在热挤压及后续热处理(包括固溶和时效处理)过程中的演变规律。喷射态合金晶粒呈等轴状,没有明显织构。对于挤压态、固溶态和时效态合金,随着挤压板中心向边部扩展,晶粒由条带状向等轴状转变,固溶处理会使晶粒尺寸增加,而时效处理对晶粒影响较小。挤压板中心织构类型为近轧制型织构,边部织构发生了旋转,热处理对挤压板织构无明显影响。Li与Cu元素对合金强化起着关键作用,合金内Al-Cu相会在热处理过程中回溶和重新析出,含Fe颗粒一直稳定存在。(2)对热处理后合金的挤压和垂直挤压方向试样进行了控制应变的低周疲劳试验,获得了材料的应力-应变滞回环,导出了循环应力响应曲线,拟合得到了循环应力-应变关系,利用不同疲劳寿命模型对该合金的疲劳寿命进行了预测分析。随总应变幅增加,合金起始周次和半寿命周次的滞回环面积逐渐增加。材料在低应变幅下以循环稳定行为为主,高应变幅下以循环硬化行为为主。任一应变幅条件下,挤压方向合金有着更高的循环应力幅,但与垂直方向合金的断裂寿命相似。发现基于全应变能密度模型对该合金低周疲劳寿命有较好的预测效果。(3)对合金疲劳断口进行观察,对比了不同取向试样在不同应变幅条件下的断口形貌,探讨了合金在加载过程中的疲劳裂纹萌生扩展及最终断裂行为。发现低应变幅断口有着典型的疲劳特征,而高应变幅断口呈现出类似准静态拉伸断口的特征。对合金疲劳断口附近的变形微观组织进行观察,对比了不同应变幅条件下微观组织的演变情况。发现高应变幅条件下合金的变形程度和位错密度明显高于低应变幅合金。材料的循环硬化行为,与疲劳加载过程中移动位错与(亚)晶界、第二相颗粒和演变位错结构(位错环与位错缠结等)的相互作用密切相关。
【图文】：

形貌,拉伸试样,挤压板,喷射成形

本研究采用光学显微镜（ＯＭ，邋Ｏｌｙｍｐｕｓ邋ＧＸ５１）对不同状态合金的晶粒和大颗逡逑粒第二相的尺寸和分布进行观察。挤压板上的金相样品是从板材中心至边部的逡逑１／８－７／８处选取，样品位置如图２－ｌ（ｄ）所示。样品经过ＳｉＣ砂纸和金刚石抛光液磨逡逑抛后，，采用邋Ｋｅｌｌｅｒ邋试剂（２＿５邋ｍｌＨＮ０３，邋１．５邋ｍｌ邋ＨＣ１，邋１邋ｍｌ邋ＨＦ邋和邋９５邋ｍｌ邋Ｈ２０）浸蘸逡逑样品表面１０－３０邋ｓ进行化学腐蚀。逡逑采用场发射扫描电子显微镜（ＳＥＭ，ＪＳＭ－７６１０Ｆ），在背散射电子模式下，对逡逑合金内大颗粒第二相的尺寸和形貌进行观察，并运用ＳＥＭ上配备的能谱仪（ＥＤＳ）逡逑对第二相颗粒的成分进行半定量分析。ＳＥＭ样品的制备方法与上述ＯＭ样品相同

分布情况,微观组织,合金,背散射电子

（ｅ－ｈ）对颗粒Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ的ＥＤＳ点测结果逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｐｒａｙ－ｆｏｒｍｅｄ邋ａｌｌｏｙ：邋（ａ－ｂ）邋ＯＭ邋ｍｉｃｒｏｓｌｒｕｃｔｕｒｅ；邋（ｃ－ｄ）邋ＳＥＭ邋ｍｉｃｒｏ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：逡逑（ｅ－ｈ）邋ＥＤＳ邋ｓｐｏｔ邋ｓｃａｎ邋ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｆｏｒ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ａ．邋Ｂ．邋Ｃ邋ａｎｄ邋Ｄ．逡逑为进一步确定大颗粒第二相的分布情况和成分，米用ＳＥＭ在背散射电子模式逡逑下对喷射态２１９５铝合金的微观组织继续观察。图２－２（ｃ）和（ｄ）分别给出了低倍和高逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.21;TG376.2;V252.2

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