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2xxx航空铝合金的疲劳与断裂行为研究

作　者: 陈圆圆
导　师: 郑子樵
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 2197铝锂合金 2524合金微观组织结构萌生与生长疲劳裂纹扩展速率断裂韧性断口
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本论文通过轴向疲劳试验和裂纹扩展速率测试以及断裂韧性测试,利用金相显微镜、XRD、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)以及EBSD观察,系统研究了2197和2524合金的疲劳裂纹萌生和扩展行为以及2197合金的断裂韧性,考察了试样取向和时效制度的影响,得到的主要结论如下：(1)2197合金及2524合金的疲劳裂纹主要萌生于试样表面,且萌生于第二相粒子、第二相粒子／基体界面、表面缺陷处以及晶界。(2)2197合金及2524合金的疲劳裂纹早期均呈现曲折的扩展,其优先沿有利滑移面扩展,当两个晶粒的有利滑移面一致时,裂纹不发生偏折；当两个晶粒的有利滑移面存在夹角时,裂纹发生偏折,形成断口的晶体学形貌。(3)2197合金具有平面滑移特性,并以沿{111}面的穿晶扩展为主,也有沿小角度晶界扩展。可剪切共格相δ′粒子,造成晶内扩展路径曲折。(4)小颗粒对疲劳条带几乎没有影响；当裂纹遇到大颗粒并绕过其扩展时,颗粒对裂纹有阻碍作用。(5)2197合金在T6欠时效状态时合金中只有可切割的δ′相和GP区；T6峰时效状态时合金中析出δ′相和T1相,δ′相的数量较T6欠时效状态少,晶界出现无沉淀析出带(PFZ)；T8峰时效状态时合金中有最少量的δ′相和最细小弥散的T1相。(6)L-T、T-L、L+45°三个取样方向的试样在近门槛值区的扩展速率为：L+45°方向稍大,L-T与T-L方向相近；进入Paris扩展阶段以后,三者的扩展速率相近,差别不大；T-L方向在ΔK=23.7MPa×m1／2时进入第三扩展阶段并且更快断裂,L-T方向在ΔK=23.8MPa×m1／2时进入第三扩展阶段并且断裂速率其次,L+45°方向在ΔK=26.5 MPa×m1／2时进入第三扩展阶段并且最慢断裂。(7)2197合金L-T、T-L、L+45°三个取样方向的闭合效应水平差别不大,这说明取样方向对合金的裂纹扩展和闭合影响不大。(8)2197合金在T6欠时效、T6峰时效、T8峰时效三种热处理状态下近门槛值区的扩展速率为：T6欠时效<T6峰时效<T8峰时效；T6欠时效在ΔK=16.8 MPa×m1／2时进入Paris扩展阶段,T6峰时效在ΔK=10.7 MPa×m1／2时进入Paris扩展阶段,T8峰时效在ΔK=10.1MPa×m1／2时进入Paris扩展阶段,且合金在Paris扩展阶段的扩展速率相近,差别不大；T6欠时效在ΔK=28.1 MPa×m1／2时进入第三扩展阶段,T6峰时效在ΔK=30.87 MPa×m1／2时进入第三扩展阶段,T8峰时效在AK=23.8 MPa×m1／2时进入第三扩展阶段。(9)2197合金中,T6欠时效状态有最曲折的裂纹扩展路径和严重的表面氧化；T6峰时效状态有其次曲折的扩展路径,T8峰时效状态最次。故闭合效应水平：T6欠时效>T6峰时效>T8峰时效。(10)取样方向对2197-T8峰时效合金板材的断裂韧性影响不大,断裂韧度值L+45°方向大于L-T取向大于T-L取向。(11)热处理状态对2197合金板材的断裂韧性影响很大。内韧化和外韧化的综合作用使合金在T6峰时效状态有最好的韧性,T6欠时效状态其次,T8峰时效状态最次。(12)2197合金的断裂韧度值KIC对应da／dn曲线瞬断时的Kmax,试样厚度的影响使Kmax大于KIC。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACTS  5-7
目录  7-9
第一章文献综述  9-30
  1.1 铝锂合金概述  9-14
    1.1.1 铝锂合金的发展  9-11
    1.1.2 主要的第三代铝锂合金及其应用  11-12
    1.1.3 Al-Li-Cu系铝锂合金的微观组织  12-14
  1.2 2×24铝合金概述  14-17
    1.2.1 2×24铝合金发展概况  14-15
    1.2.2 2×24铝合金微观组织  15-17
  1.3 材料的疲劳概述  17-24
    1.3.1 疲劳断裂的分类  17
    1.3.2 疲劳裂纹扩展的表征——疲劳裂纹扩展曲线  17-20
    1.3.3 疲劳断裂微观机理  20-24
  1.4 铝锂合金的疲劳特性简介  24-26
    1.4.1 疲劳强度及疲劳寿命  24
    1.4.2 循环应变行为  24-25
    1.4.3 铝锂合金的疲劳长裂纹扩展行为  25
    1.4.4 铝锂合金的疲劳短裂纹扩展行为  25-26
    1.4.5 铝锂合金的断裂特性  26
  1.5 铝合金的断裂韧性  26-29
    1.5.1 应力场强度因子和断裂韧性  26-27
    1.5.2 铝合金断裂韧性测试方法  27-28
    1.5.3 影响铝合金材料断裂韧性的主要因素  28-29
  1.6 本论文研究的目的和主要研究内容  29-30
第二章实验材料及方法  30-35
  2.1 实验材料  30
  2.2 实验分析方法  30-35
    2.2.1 疲劳裂纹萌生观察  30-31
    2.2.2 EBSD观察  31
    2.2.3 疲劳裂纹扩展速率及闭合效应测试  31-32
    2.2.4 断裂韧性测试  32-33
    2.2.5 扫描电镜观察  33
    2.2.6 透射电镜观察  33
    2.2.7 金相组织分析  33-34
    2.2.8 X射线宏观织构分析  34-35
第三章 2197与2524合金疲劳裂纹萌生与扩展路径研究  35-52
  3.1 引言  35
  3.2 2197、2524铝合金的微观组织  35-37
    3.2.1 金相组织  35-36
    3.2.2 宏观织构  36-37
  3.3 2197、2524合金的疲劳裂纹的萌生  37-41
    3.3.1 2197合金低应力水平下疲劳裂纹的萌生  37-39
    3.3.2 2197合金高应力水平下疲劳裂纹的萌生  39-40
    3.3.3 2524 合金疲劳裂纹的萌生  40-41
    3.3.4 分析讨论  41
  3.4 2197、2524合金的疲劳裂纹扩展路径与偏转  41-47
    3.4.1 2197合金的裂纹扩展路径与偏转的SEN分析  41-43
    3.4.2 2197合金的裂纹扩展路径与偏转的EBSD分析  43-44
    3.4.3 2524合金的裂纹扩展与偏转  44-45
    3.4.4 分析与讨论  45-47
  3.5 2197、2524合金的疲劳断裂  47-51
    3.5.1 2197疲劳断口SEM观察  47-48
    3.5.2 2524疲劳断口SEM观察  48-49
    3.5.3 分析讨论  49-51
  3.6 本章小节  51-52
第四章 2197合金疲劳裂纹扩展速率研究  52-72
  4.1 引言  52
  4.2 2197合金的微观组织和拉伸性能  52-55
    4.2.1 常规拉伸性能  52-53
    4.2.2 TEM组织分析  53-55
  4.3 不同取向的2197合金的裂纹扩展速率与闭合效应  55-61
    4.3.1 不同取向的合金疲劳裂纹扩展速率  55-57
    4.3.2 不同取向的合金疲劳裂纹扩展闭合效应  57-58
    4.3.3 断口分析  58-61
  4.4 不同热处理状态的2197合金的裂纹扩展速率与闭合效应  61-65
    4.4.1 不同热处理状态的裂纹扩展速率  61-62
    4.4.2 不同热处理状态的合金疲劳裂纹扩展闭合效应  62-63
    4.4.3 断口分析  63-65
  4.5 分析讨论  65-70
  4.6 本章小结  70-72
第五章 2197合金板材的断裂韧性研究  72-81
  5.1 引言  72
  5.2 不同方向的2197合金的断裂韧度  72-73
  5.3 不同热处理制度的2197合金的断裂韧度  73
  5.4 合金断口分析  73-76
  5.5 分析讨论  76-80
  5.6 本章小结  80-81
第六章结论  81-83
参考文献  83-92
致谢  92-93
攻读学位期间主要的研究成果  93

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