【正文】 藝，補(bǔ)充尚未研究的內(nèi)容，通過研究新型 2124 合金固溶時效制度、不同厚度 新型 2124 合金板材的斷裂韌性以及微觀組織和影響機(jī)制，保證新型 2124 合金 預(yù)拉伸厚板的性能和組織，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)供貨；使批生產(chǎn)的鋁合 金厚板與進(jìn)口實(shí)物水平相當(dāng)。本文中淬火試驗(yàn)的試驗(yàn)方案如表 23 所示。試樣按照 GB639786《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》的規(guī)定加工而成，為標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣，示意圖 如圖 21。基材沿板面、軋向、橫向三個方位取樣做三維金相組織觀察。 實(shí)驗(yàn)截取了斷裂韌性實(shí)驗(yàn)試樣的斷口進(jìn)行觀察，所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備是帶能譜的掃描電鏡。；數(shù)據(jù)處理軟件 MDI Jade 。圖 31 20mm 厚熱軋板的 DSC由圖 31 可知 2124 鋁合金 40 mm 厚熱軋板在 517℃有一個熔化峰，熔化 。實(shí)驗(yàn)條件：CuKα= nm 輻射；加速電壓 36 kV， 電流 30 mA，掃描速度 8176。(2) 避免斷口長時間在空氣中暴露，若不能及時進(jìn)行分析，應(yīng)當(dāng)保存在干燥的無氧化的環(huán)境中。斷裂韌性試樣 的疲勞裂紋在 Instron 8032 動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)上制備，制作疲勞裂紋時采用載荷 控制，正弦波加載，頻率為 20Hz，應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù) r=0（r=σmin/σmax）總循 環(huán)次數(shù)在 3104～1105 次之間；對已疲勞預(yù)裂的試樣進(jìn)行拉伸時采用位移控 制，拉伸速度為 1 mm/min。表 24時效實(shí)驗(yàn)方案時效溫度/℃時效時間/h170048121620241850481216202420004812162024 性能測試 室溫拉伸力學(xué)性能測試測試了板材在不同處理制度下的拉伸力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度 σb、屈服強(qiáng)度 和延伸率 δ。淬火介質(zhì)（水）的溫度≤25℃，淬火轉(zhuǎn)移時間 ≤5s。新型 2124 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，微調(diào)主合金元素發(fā)展起來的高純、高強(qiáng)、高韌鋁合金，廣泛應(yīng)用于航空器 材的結(jié)構(gòu)件。在加工和熱處理后，合金中存在未再 結(jié)晶或部分再結(jié)晶的纖維狀組織。合金第二相質(zhì)點(diǎn)間距越大，空穴的長大與聚合越困難，在電鏡下觀察 到的韌窩越大且越深，這表示消耗的變形功越大。有文獻(xiàn)研究表明提高Fe、Si明顯引起了鋁合金斷裂韌性的降低，并且低Fe 含量的合金試樣呈晶間斷裂。隨著溫度的降低， 斷裂韌性可以有一急劇降低的溫度范圍，低于此溫度范圍，斷裂韌性趨于一數(shù) 值很低的下平臺，溫度再降低也不大改變了。由式 12 可知，對于裂紋前端每一 點(diǎn)，內(nèi)應(yīng)力場就完全由 KI 決定。傳統(tǒng)力學(xué)是把材料看成均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋 的理想固體，但是實(shí)際的工程材料，在制備、加工及使用過程中都會產(chǎn)生各種 宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。鋁合金的形變熱處理可分為中間形變熱處理和最終形變熱處理。塑性變形增加了金屬中的缺陷（主要是位錯）密度并改變了各種晶體缺陷 的分布。而且 TTC 時，時效成核時間越長，質(zhì)點(diǎn)彌散度越大，無析出帶變窄。有關(guān)研究表明[4956]，S ′ 相遵循 LSW 規(guī)律，在晶粒內(nèi)S ′相粗化的同時，由于空位向晶界遷移，而使得 晶界鄰域S ′相變小而消失，最終形成無沉淀區(qū)（PFZ），并隨著時效時間的延 長，PFZ 增寬，在長時間（或短期較高溫度）時效時，晶界平衡相 S 相逐漸長 大。等溫時效有自然時效和人工時效之分。要提高該合金的力學(xué)性能，必須盡可能地將 S 相和 θ 相溶入 α（Al）基體中。細(xì)小 的時效析出相對鋁合金基體的強(qiáng)化起主要作用，而粗大脆性第二相顆粒對基體 無強(qiáng)化作用且是應(yīng)力集中和裂紋萌生之處，對鋁合金的斷裂韌性、疲勞性能和 應(yīng)力腐蝕開裂均有顯著影響[41, 42]。未經(jīng)均勻化退火的鑄錠，其枝晶偏析的影響會一直延 續(xù)到制成品的性能上。 繞過析出相強(qiáng)化 如果沉淀物質(zhì)點(diǎn)較大，而且間距也較大，則運(yùn)動位錯容易繞過它們，按照奧羅萬（Orowan）首次提出的機(jī)理，運(yùn)動位錯繞過后在質(zhì)點(diǎn)周圍留下了位錯 環(huán)。當(dāng)該位錯 線在外力作用下移動時，對于部分位錯段來說，則是從低能位置移向高能位 置，考慮受到一阻力作用。因?yàn)闀r效硬化合金的強(qiáng)度是受運(yùn)動位錯和沉 淀物的相互作用控制，因此，時效硬化機(jī)理可按位錯與析出相交互方式的不 同，分為應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制、位錯切過機(jī)制和繞過機(jī)制三類： 內(nèi)應(yīng)變強(qiáng)化 一般認(rèn)為，由于析出相的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及點(diǎn)陣參數(shù)均與母相不同，在析出相周 9 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圍將產(chǎn)生不均勻畸變區(qū)，即形成不均勻應(yīng)力場。 角。自從 50 年 代以來，還沒有一種關(guān)于含有 Cu、Mg 的 GPB 區(qū)的模型被證實(shí)是獨(dú)立完整的。其中SSS代表過飽 和固溶體。另外，F(xiàn)eAl3 有細(xì)化再結(jié)晶晶粒的作用，但對抗腐蝕性能影響較大。要求塑性高地合金，Si 含量應(yīng)更低些。 雜質(zhì)元素AlCuMg 系合金中，F(xiàn)e、Si 是主要的有害雜質(zhì)元素。新近研制成功的 2124 大規(guī)格鋁合金管材，除含有與 2124，2A12，Д16 等 相應(yīng)的牌號相同的 Cu、Mg、 Mn 三種主要合金元素外，特地加入了 Zr 和 Ti 兩種微量元素。此外，Mn 也是使 AlCuMg 合金具有擠壓效應(yīng)的主要因素之一。硬鋁中 以 S 相的過渡相強(qiáng)化效果最好，θ 相的過渡強(qiáng)化效果稍次。AlCu 合金中同時含有 Mg，而且 Mg﹥ wt.%，Si≤ wt.%Mg 含量時 出現(xiàn) S 相，Si﹥ wt.%Mg 時，Mg 全部生成 Mg2Si 相。AlCu 合金具 有時效特性，在工業(yè)中應(yīng)用的大多數(shù)為含有其它元素的多元 AlCu 合金[25]。此后，國產(chǎn) 2124T851 預(yù)拉伸工業(yè)板材在 J7II 三架飛機(jī)上使用了六個零件，飛行考驗(yàn)情況良好。目前，在新的國家標(biāo)準(zhǔn)中已包括 24 種 2xxx （LYx、部分 LDx）合金。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。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 等時效狀態(tài)，甚至一度出現(xiàn)了犧牲部分強(qiáng)度來換取韌性的趨勢 [49]。m1/2. Comprehensively, the best facture toughness was 30mm sheet, which values were MPam1/2 ； 橫 向 斷 裂 韌 性 是 55mm 板 材 最 好 ， 為碩士學(xué)位論文（工程碩士）2124 鋁合金固溶時效對組織和性能的影響EFFECTS OF SOLUTION AND AGING ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF 2124 ALUMINUM ALLOY齊國棟哈爾濱工業(yè)大學(xué)2009 年 3 月國內(nèi)圖書分類號： 學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號： 密級：碩士學(xué)位論文（工程碩士）2124 鋁合金固溶時效對組織和性能的影響碩 士 研 究 生： 齊國棟導(dǎo) 師： 邵文柱 教授 副 導(dǎo) 師： 吳欣鳳 教授級高工 申請學(xué)位級別： 工程碩士學(xué) 科 、 專 業(yè)： 材料工程所 在 單 位： 東北輕合金限責(zé)任公司答 辯 日 期： 2009 年 3 月授予學(xué)位單位： 哈爾濱工業(yè)學(xué)Classified Index: School code: 10213: Secretlevel:Dissertation for the Master Degree （Master of Engineering）EFFECTS OF SOLUTION AND AGING ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF 2124 ALUMINUM ALLOYCandidate： Qi GuodongSupervisor： Prof. Shao WenzhuAssociate Supervisor: Profengineer Wu XinfengAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpecialty： Material EngineeringAffiliation: Northeast Light Alloy Co.，LtdDate of Defence： March，2009DegreeConferringInstitution： Harbin Institute of Technology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要 采用室溫拉伸性能測試和差熱分析、金相及電子顯微分析，研究了新型 2124 合金厚板在不同熱處理制度下的拉伸力學(xué)性能、顯微組織及其變化規(guī) 律，優(yōu)化了熱處理制度；通過 MTS 試驗(yàn)機(jī)測試了不同厚度新型 2124 合金 T851 狀態(tài)板材的斷裂韌性以及斷口掃描電鏡分析，研究了合金微觀組織結(jié) 構(gòu)對合金板材斷裂韌性的影響。新型 2124 合金 T851 狀態(tài)縱向斷裂韌性 40mm 厚板材最 好 ， 達(dá) 到 MPam1/2. the lateral facture toughness of new II 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2124 aluminum alloy with 55mm thickness was best, which reached MPa 隨著飛機(jī)設(shè)計從單純強(qiáng)調(diào)靜強(qiáng)度到疲勞及現(xiàn)代損傷容限設(shè)計的采用，對結(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。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]。 國內(nèi) AlCuMg 系鋁合金的研究與發(fā)展我國從 20 世紀(jì) 60 年代開始至今，相繼對高強(qiáng)高韌鋁合金進(jìn)行了深入研 究，并開發(fā)和生產(chǎn)了適合我國國情的 2xxx 系合金，如與 2024 相近的 2A12 合 金。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 月通過國家鑒定。Cu 提高合金的強(qiáng)度與硬度，而使其延伸率略有下降。合金中 Cu 含量大于 2 wt.%時出現(xiàn) α（Al）+θ 兩相共晶 組織。該系列的合金的最主要強(qiáng)化相為 θ（CuAl2）和 S（Al2CuMg）相。Mn 還能延遲和減弱 AlCuMg 合金的人工時效過程，提高合金的耐熱 強(qiáng)度。概括而言，微量元素的影響主要集 中于下面幾個方面：（1） 提高再結(jié)晶溫度 在 AlCuMg 系合金中，加入 Mn、Ti、Zr、Cr 等微量合金元素后，它們的熱擠壓棒材、型材等，可以通過提高制品的熱變形溫 度、降低熱變形程度、降低淬火加熱溫度、適當(dāng)縮短保溫時間，均有利于提高 再結(jié)晶溫度，從而保留未再結(jié)晶的組織，保留擠壓效應(yīng)，以提高抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能[3034]。新近研制成功的 2124 大規(guī)格鋁合金管材，由于合金中加 入有 ～ wt.% Zr（Ti+Zr≤.%），所以當(dāng)用這種合金澆成坯錠并經(jīng) 均勻化處理，然后擠壓成鋁管，再經(jīng)熱處理等一系列工藝后，其室溫和高溫力 學(xué)性能都比較高，滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求。因此，合金中地 Si 含 量一般限制在 ～ wt.%。同時，由于不溶相數(shù)量的增加而使塑性 降低。關(guān)于 AlCuMg合金時效沉淀順序有著不同的看法，其中Bagaryatsky提出了以下的沉 淀順序[35, 36]：SSS→GPB區(qū)→S ′′ /GPB2→S ′ →S（Al2CuMg）。然而，最近有評論指出這種 GPB 區(qū)存在的證據(jù)是不完整的。30′和90176。從本質(zhì)上來說，現(xiàn)代的沉淀 硬化概念就是用位錯理論來考慮?？赡艿那闆r 是，部分位錯段處于能峰這一側(cè)，而部分位錯段則處于能峰另一側(cè)。位錯線切過析出相顆粒時，不僅需要克服析出相 顆粒所造成的應(yīng)力場，還由于析出相顆粒被切