【正文】 ...............7 AlCuMg 系合金的組織..................................................................................8沉淀順序及沉淀相....................................................................................8硬化機(jī)理....................................................................................................9 AlCuMg 系合金的熱處理............................................................................11鑄錠均勻化處理......................................................................................11固溶處理..................................................................................................12單級(jí)時(shí)效..................................................................................................13分級(jí)時(shí)效..................................................................................................13形變熱處理..............................................................................................14合金的斷裂韌性.............................................................................................15應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和斷裂韌性..................................................................16影響鋁合金材料斷裂韌性的主要因素..................................................17研究目的、意義和內(nèi)容.................................................................................18第 2 章 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法..................................................................................20試驗(yàn)材料..........................................................................................................20熱處理工藝......................................................................................................20 固溶處理工藝...........................................................................................20 時(shí)效處理工藝...........................................................................................21性能測(cè)試..........................................................................................................21 室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試...........................................................................21 I 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 斷裂韌性試驗(yàn) 22 顯微組織結(jié)構(gòu)分析 23 金相組織觀察 23 掃描電子顯微鏡觀察 23 透射電子顯微組織觀察 24 X 射線分析 24 差熱（DSC）分析 25第 3 章 2124 合金固溶和時(shí)效工藝研究 26 2124 合金熱軋板的過燒溫度分析 26 2124 合金固溶工藝的研究 27 固溶溫度對(duì)合金組織與性能的影響 27 固溶時(shí)間對(duì)合金組織與性能的影響 28 淬火水溫對(duì)合金熱軋板組織與性能的影響 30 淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)合金熱軋板組織與性能的影響 32 2124 合金時(shí)效工藝的研究 37 預(yù)拉伸對(duì)合金組織與性能的影響 44 本章小結(jié) 46第 4 章 新型 2124T851 合金板材斷裂韌性 47 不同厚度板材的斷裂韌性 47 不同厚度板材 LT 向斷裂韌性 47 不同厚度板材 TL 向斷裂韌性 48 不同應(yīng)力幅值對(duì)疲勞斷口地影響 49 合金斷口分析 50 對(duì)斷裂韌性的影響機(jī)制 52 板材厚度對(duì)斷裂韌性的影響 52 厚板不同方向斷裂韌性 53 本章小結(jié) 54結(jié) 論 56參考文獻(xiàn) 57哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 63哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書 63致謝 64 II 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒 論 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外 AlCuMg 系鋁合金的研究與發(fā)展 自 1906 年 Wilm 發(fā)現(xiàn) AlCuMg 合金時(shí)效硬化現(xiàn)象以來，2xxx 系合金就與 航空業(yè)緊密聯(lián)系在一起。1917 年 2017 合金問世，1939 年發(fā)明 2024 合金， 2024 合金給飛機(jī)結(jié)構(gòu)和性能帶來了巨大變化，同時(shí)也為 2xxx 系鋁合金的發(fā)展 奠定了基礎(chǔ)[1, 2]。2xxx 系鋁合金是以 Cu 為主合金元素的鋁合金，它包括 AlCuMg 合金、AlCuMgFeNi 合金和 AlCuMn 合金等，這些合金均屬熱處理可強(qiáng)化鋁合 金。該系鋁合金特點(diǎn)是強(qiáng)度高，耐熱性能和加工性能優(yōu)良，但耐蝕性不如大多 數(shù)其它鋁合金，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，因此，板材往往需要包覆一層 鋁，或一層對(duì)芯板有電化學(xué)保護(hù)的 6xxx 系鋁合金，以提高其耐腐蝕性能[3]。 隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)從單純強(qiáng)調(diào)靜強(qiáng)度到疲勞及現(xiàn)代損傷容限設(shè)計(jì)的采用，對(duì)結(jié)構(gòu)材 料從僅要求強(qiáng)度向強(qiáng)調(diào)韌性、抗疲勞綜合性能方向發(fā)展。自 70 年代以來，通 過合金化、提高純度和改進(jìn)熱處理等途徑，研制應(yīng)用了一系列高純度、高韌 性、耐腐蝕新型鋁合金及其處理狀態(tài)，如 2124 等合金及 T85T7T7 T74 等時(shí)效狀態(tài)，甚至一度出現(xiàn)了犧牲部分強(qiáng)度來?yè)Q取韌性的趨勢(shì) [49]。典型的 AlCuMg 系硬鋁主要有 Д12024 及 2A12，其一般特點(diǎn)是：490～525℃固溶淬火（和室溫（自然）或高溫（人工）時(shí)效熱處理后，強(qiáng)化效 果明顯。對(duì)比于 AlMg 系、AlMgSi 系、AlZnMgCu 系等其他鋁合金，AlCuMg 系鋁合金的耐熱性高。在 100℃以下，2xxx 系鋁合金的強(qiáng)度低于 AlZnMgCu 系合金，但在高溫下，特別是長(zhǎng)期使用時(shí)，則超過它們[1016]。2xxx 系合金由于存在 Fe 、Si 雜質(zhì)，可能生成(Fe ，Mn)Al6 、(Fe ， Mn)3SiAl12 、Mg2Si 、 CuMgSi4Al4 、(Fe ， Mn)3Cu2Al20 、(Fe ， Mn)3CuAl12 、Cu2FeAl7 等脆性雜質(zhì)粗大粒子和未溶的 CuAl2 粒子，如果成分控制不當(dāng)將嚴(yán)重 影響合金的斷裂韌性和厚板的短橫向性能[1719]。為了解決這一問題，美國(guó)和原 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文蘇聯(lián)等國(guó)家分別在 2024 合金和 Д16 合金的基礎(chǔ)上，通過降低 Fe、Si 雜質(zhì)含量 和調(diào)整合金化元素含量，開發(fā)出一系列高強(qiáng)高韌性 AlCuMg 合金，如 212 2222322424 及 2048 鋁合金。另外，為了提高該系合金的耐熱性能，又 通過添加 Ni 的方法開發(fā)出 2618 鋁合金；為了進(jìn)一步獲得良好的焊接性能和韌 性，相繼開發(fā)了 2212412512021 和 2004 鋁合金。為改善飛機(jī)用鋁合 金性能而開發(fā)的 2xxx 系新合金的過程如圖 11 所示[20]。薄壁耐損傷容限性能C188厚壁抗 SCC 性能、韌性2124T851 (厚板) 降低 Fe、Si2024降低 Fe、Si，限制 Cu高強(qiáng)度 2224T351(擠壓件)高韌性降低 Fe、Si2324T39 (厚板)2618T61 (鍛件)降低 Fe, Si添加 Ni耐熱性20142219T3(鍛件)T6(厚板)降低 Fe, SiT8(加壓件)添加 Cu降低 Fe, Si添加 Mg2419 2519圖 11 2xxx 系新鋁合金的開發(fā)歷程簡(jiǎn)圖[20] 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2124 鋁合金是美國(guó)在二十世紀(jì)七十年代研制成功的高性能鋁合金，是在傳 統(tǒng) 2024 鋁合金基礎(chǔ)上，降低了鐵、硅等雜質(zhì)含量并采用特殊生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā) 展起來的高純、高強(qiáng)、高韌鋁合金。2124 合金不僅保持了 2024 合金的強(qiáng)度， 而且具有較好的斷裂韌性和疲勞性能。其厚板的延伸率和斷裂韌性優(yōu)于 2024 合金厚板，尤其是短橫向性能更為突出，是韌性好、疲勞強(qiáng)度高和抗應(yīng)力腐蝕 性能好，綜合性能優(yōu)良的高純航空鋁合金。尤其，由于該合金具有較高的拉伸 屈服強(qiáng)度、壓縮屈服強(qiáng)度、抗腐蝕性能，特別適用于中溫下對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性有 要求的部位，用于制造整體、大截面的飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件及受壓承力構(gòu)件。該 合金研制成功后很快成為西方戰(zhàn)機(jī) F1F1F1AAF/A1幻影 2xxx 等及波音 B737/74空客 A320 等民用飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)用材，用于機(jī)身加 強(qiáng)隔框、機(jī)翼蒙皮壁板、機(jī)翼桁條等主承力結(jié)構(gòu)件。在 F16 上使用的 2124T851 厚板加工件達(dá)到 99 個(gè)，總重約 1 噸。目前 2124 鋁合金仍廣泛用于美國(guó) 的第四代戰(zhàn)機(jī) F2F35 的主體結(jié)構(gòu)件，并在未來軍用及民用飛機(jī)上有著廣 闊的應(yīng)用前景。 國(guó)內(nèi) AlCuMg 系鋁合金的研究與發(fā)展我國(guó)從 20 世紀(jì) 60 年代開始至今，相繼對(duì)高強(qiáng)高韌鋁合金進(jìn)行了深入研 究，并開發(fā)和生產(chǎn)了適合我國(guó)國(guó)情的 2xxx 系合金，如與 2024 相近的 2A12 合 金。目前，在新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已包括 24 種 2xxx （LYx、部分 LDx）合金。東 北輕合金有限責(zé)任公司從“七五”到“十五”期間，共主持了 10 項(xiàng)有關(guān) 2xxx 系鋁合金國(guó)家重大課題研究，合作研究的單位還有北京航空材料研究院、東北 大學(xué)以及多個(gè)航天院所。通過這些課題的實(shí)施，我國(guó)高強(qiáng)鋁合金研究水平基本 跟上了世界研究的步伐，有一些研究成果達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平，并具備了批量 生產(chǎn)能力。盡管我國(guó)在高強(qiáng)鋁合金研究方面取得了許多成果，但與國(guó)外水平相比仍有 一定的差距。國(guó)內(nèi) 2124 鋁合金的研究開發(fā)起步較晚。2124T851 鋁合金預(yù)拉伸 工業(yè)板材是國(guó)家“六五”、“七五”和十號(hào)工程期間的重點(diǎn)研究課題。該項(xiàng)目于 86 年 1 月立項(xiàng)，研制階段要求提供厚度為 25 mm 和 38 mm 的典型件，并要求 產(chǎn)品性能完全符合美標(biāo) AMS4101 的技術(shù)要求，要與美國(guó)宇航結(jié)構(gòu)材料手冊(cè)公 3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文布的數(shù)據(jù)或進(jìn)口材料的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)。該項(xiàng)目由東北輕合金有限責(zé)任公司承 擔(dān)，并于 90 年 9 月通過國(guó)家鑒定。此后，國(guó)產(chǎn) 2124T851 預(yù)拉伸工業(yè)板材在 J7II 三架飛機(jī)上使用了六個(gè)零件，飛行考驗(yàn)情況良好。由于受當(dāng)時(shí)條件的限 制，工業(yè)板材規(guī)格小、品種少、成品率低，應(yīng)用研究不完善，缺乏綜合驗(yàn)證試 驗(yàn)。因此，國(guó)產(chǎn) 2124T851 鋁合金預(yù)拉伸工業(yè)板材沒有在型號(hào)上得到應(yīng)用[21]。 合金元素在 AlCuMg 系合金中的作用以 Cu 和 Mg 為主要合金元素，形成的 AlCuMg 合金系列，即硬鋁系列， 是變形鋁合金中十分重要的一類。它的合金成分包括主合金元素 Cu、Mg 和微 量元素 Mn、Cr、Ti 以及雜質(zhì)元素 Fe 和 Si