【正文】 就是研究帶裂紋體的力學(xué)，它給出了含裂 紋體的斷裂判據(jù)，并提出一個(gè)材料固有性能的指標(biāo)——斷裂韌性，用它來比較 各種材料的抗斷能力。另外，板材或構(gòu)件截面的尺寸 也會(huì)影響其斷裂韌性。前者尺寸較小，主要 取決于合金的淬火、時(shí)效制度及抗再結(jié)晶元素的含量；后者的尺寸較大，主要 取決于鋁合金中雜質(zhì)鐵、硅的含量及合金元素的濃度。本文主要研究內(nèi)容是 2124 合金的固溶處理工藝及隨后的時(shí)效熱處理對板 材組織和性能的影響規(guī)律，確定最佳的固溶時(shí)效熱處理工藝，并能在工業(yè)化 生產(chǎn)中得到應(yīng)用；研究板材厚度對材料斷裂韌性的影響規(guī)律，得到并優(yōu)化 2124 合金板材的熱處理工藝，從而綜合提高合金的性能。試驗(yàn)過程按照 GB2282002《金屬拉伸試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行， 拉伸速度為 2 mm/min。 透射電子顯微組織觀察電鏡薄片樣的制樣過程如下：（1）截取厚 mm，面積 1 cm2 以上樣品，在水磨機(jī)上細(xì)磨到 mm 厚度左右；（2）將樣品沖成φ3 mm 的圓片；（3）在 MTP1 型雙噴電解減薄儀上雙噴減薄、穿孔，其原理如圖 24 所 示。圖 31 為 2124 合金 20 mm 厚熱軋板的 DSC 分析結(jié)果。截取斷口時(shí)應(yīng)注意：(1) 不應(yīng)對斷面施23哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文加任何機(jī)械、熱的和化學(xué)影響，斷口受外來物的污染（水、砂土以及手的接 觸）。具體實(shí)驗(yàn)方案見表 23。隨著我國航空航天事業(yè) 的發(fā)展，對飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)用鋁合金提出了新的要求，隨飛機(jī)設(shè)計(jì)從單純靜強(qiáng)度 到疲勞及現(xiàn)代損傷容限設(shè)計(jì)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 疲勞損傷的綜合性能方向發(fā)展。為此對高強(qiáng)鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)，淬 火時(shí)應(yīng)使強(qiáng)化相最大限度地溶于基體，并且淬火速度要快，避免析出相過分粗 大[7375]。16哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 影響鋁合金材料斷裂韌性的主要因素 外在因素?cái)嗔秧g性隨溫度的變化關(guān)系和沖擊韌性的變化相類似。經(jīng)典的強(qiáng)度理論無法解釋為什么工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生所 謂低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象。對于 AlCuMg 合金，時(shí)效 前通過冷變形引入位錯(cuò)，有助于 S′（Al2CuMg）相的形核，加速時(shí)效硬化速 率，提高合金抗拉強(qiáng)度[57, 58]。AlCuMg 合金在固溶處理淬火后，緊接著在強(qiáng)化相固相線下進(jìn)行時(shí)效處 理，得到的組織為固溶體基體中均勻分布的針狀S ′過渡相，一旦發(fā)生成核過程 時(shí)，晶核的長大速度決定于溶質(zhì)原子向沉淀相的遷移。文獻(xiàn)[43]針對 7075 和 2024 合金進(jìn)行了強(qiáng)化固溶工藝的研究，文中指出：由 于非平衡凝固，2024 合金鑄態(tài)組織中有大量的共晶沿晶界分布，其中共晶化合 物相分別為 S 相和 θ 相。這是因?yàn)閷﹁T錠進(jìn)行熱壓力加工時(shí)，雖然使組織破碎，但不能完全消 11哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文除成分的微觀不均一性?？赡艿那闆r 是，部分位錯(cuò)段處于能峰這一側(cè)，而部分位錯(cuò)段則處于能峰另一側(cè)。30′和90176。關(guān)于 AlCuMg合金時(shí)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）。因此，合金中地 Si 含 量一般限制在 ～ wt.%。概括而言，微量元素的影響主要集 中于下面幾個(gè)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(shí)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]。該系列的合金的最主要強(qiáng)化相為 θ（CuAl2）和 S（Al2CuMg）相。Cu 提高合金的強(qiáng)度與硬度，而使其延伸率略有下降。 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。 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。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 ； 橫 向 斷 裂 韌 性 是 55mm 板 材 最 好 ， 為自 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)度來換取韌性的趨勢 [49]。目前，在新的國家標(biāo)準(zhǔn)中已包括 24 種 2xxx （LYx、部分 LDx）合金。AlCu 合金具 有時(shí)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]。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。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。要求塑性高地合金，Si 含量應(yīng)更低些。其中SSS代表過飽 和固溶體。 角。當(dāng)該位錯(cuò) 線在外力作用下移動(dòng)時(shí)，對于部分位錯(cuò)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。未經(jīng)均勻化退火的鑄錠，其枝晶偏析的影響會(huì)一直延 續(xù)到制成品的性能上。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。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(shí)，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(shí)效時(shí)間的延 長，PFZ 增寬，在長時(shí)間（或短期較高溫度）時(shí)效時(shí)，晶界平衡相 S 相逐漸長 大。塑性變形增加了金屬中的缺陷（主要是位錯(cuò)）密度并改變了各種晶體缺陷 的分布。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(huì)產(chǎn)生各種 宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。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(tái)，溫度再降低也不大改變了。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。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。表 24時(shí)效實(shí)驗(yàn)方案時(shí)效溫度/℃時(shí)效時(shí)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。(2) 避免斷口長時(shí)間在空氣中暴露，若不能及時(shí)進(jìn)行分析，應(yīng)當(dāng)保存在干燥的無氧化的環(huán)境中。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(gè)熔化峰，熔化 。 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。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。本研究的目的就是為了滿足新一代飛 機(jī)用高性能鋁合金材料國產(chǎn)化批量生產(chǎn)的迫切需要，優(yōu)化已有的合金制備工18哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文藝，補(bǔ)充尚未研究的內(nèi)容，通過研究新型 2124 合金固溶時(shí)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)。17哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文合金中影響斷裂韌性的第二相，除時(shí)效時(shí)析出的強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)和抗再結(jié)晶元 素在均勻化及熱加工時(shí)析出的彌散相以外，主要是在鑄造過程中形成的含有鐵 硅、錳，有時(shí)還含有銅的不可溶相和可溶相的未溶質(zhì)點(diǎn)。增加應(yīng)變速率和降低溫度的影響是一致的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)力學(xué)或經(jīng)典的強(qiáng)度理論解決不了帶裂紋構(gòu)件的斷裂問 題，斷裂力學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生。反之，新相的形成往往 又對位錯(cuò)等缺陷的運(yùn)動(dòng)起釘扎、阻滯作用，使金屬中的缺陷穩(wěn)定。 分級時(shí)效電子顯微鏡分析固溶、時(shí)效后的鋁合金組織表明：其顯微組織是不均勻 的。而經(jīng)強(qiáng)化均勻化處理的組織中第二相尺寸有所減小。在均勻化退火過 程中，不溶的過剩相也會(huì)發(fā)生聚集、球化。阻力和推力大致相當(dāng)，故固溶狀態(tài)下的溶質(zhì)原 子所形成的應(yīng)力場不能阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的固溶體處于較軟狀態(tài)。15′（76176。關(guān)于 S ′′ 相或GPB2的存在還有爭議，對于它的晶體結(jié)構(gòu) 也有各種不同的說法。Fe 還與合金中的其它元素（Cu、Mn、Si）形成不溶性化合 物。另外， 6 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文由于 Mn 本身就是主要合金化元素，因此它們具的提高再結(jié)晶溫度和強(qiáng)度，特 別是屈服強(qiáng)度的作用，這也是十分重要的一個(gè)內(nèi)容。圖 12 AlCuMg 系三元相圖[ 13]文獻(xiàn)[2628]指出，2124合金隨Cu含量的增加斷裂韌性依次降低；高韌性 2048合金則是在2024合金成份基礎(chǔ)上減少Fe、Si雜質(zhì)及Mn含量外，并控制Cu ～ wt.%之間，在稍降低拉伸強(qiáng)度下，提高斷裂韌性50%。Mg 不但提高 AlCu 合金自然時(shí) 效后的力學(xué)性能，而且能顯著提高人工時(shí)效后的強(qiáng)度；但是隨著 Mg 含量增加 合金的延伸率有較大降低。通過這些課題的實(shí)施，我國高強(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)到了國外先進(jìn)水平，并具備了批量 生產(chǎn)能力。對比于 AlMg 系、AlMgSi 系、AlZnMgCu 系等其他鋁合金，AlCuMg 系鋁合金的耐熱性高。m1/2，橫向?yàn)? MPa在此條件下，合金的抗拉強(qiáng)度 σb、屈 服強(qiáng)度 和延伸率 δ 分別為 483 MPa、454 MPa 和 %；預(yù)拉伸變形處理 增加了合金的位錯(cuò)密度，與淬火+峰時(shí)效相比，經(jīng)過 2%預(yù)拉伸處理的淬火+ 預(yù)拉伸+峰時(shí)效合金 S′相分布更加彌散均勻細(xì)小，從而提高合金強(qiáng)度。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。在 F16 上使用的 2124T851 厚板加工件達(dá)到 99 個(gè)，總重約 1 噸。這些合金化元素對 AlCuMg 合金的微觀組織和性能均有重要影響。中等含Mg 量的 2124 和 2A12 合金（～ % ）組織為 α（Al）+θ＋S 三相共 晶體，并且隨含 Mg 量增加，共晶體中的 S 相增多。由于 Ti 的添加量較少，一般見不到含 Ti 相。因而，Si 含量應(yīng)盡可能地降低。與AlCu系合金相比，AlCuMg系合金脫溶機(jī)制及各脫溶 產(chǎn)物的研究尚不夠充分。S相與基體的取向關(guān)系為：{100}S100 S //{210}α100α，當(dāng)在001方向 觀察時(shí)即可看到S相在{210}晶面上析出，并可計(jì)算出S相間的夾角為26176。例 如，溶質(zhì)濃度為 1wt.%（原子比）時(shí)，每隔 4~5 個(gè)溶劑原子就有一個(gè)溶質(zhì)原 子。在這個(gè)理論中，位錯(cuò)切割沉淀相機(jī)制 （shearing）和位錯(cuò)繞過沉淀相機(jī)制（bypassing）相競爭，消耗能量較少的機(jī) 制開動(dòng)。這類粗大結(jié)晶相原則上可通過熱處理固溶進(jìn)入基體。時(shí)效溫度是影響合金時(shí)效沉淀速率的主要因 素，同時(shí)合金的沉淀序列也與它有關(guān)。為 發(fā)展既有高強(qiáng)度同時(shí)又有可接受的斷裂韌性和抗腐蝕性能的鋁合金，人們曾經(jīng) 試圖通過兩種不同的途徑來接近這一目標(biāo)，一種為 RRA 處理，另一種為形變 熱處理（TMT）。 合金的斷裂韌性按照傳統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)，只要求工作應(yīng)力 σ 小于許用應(yīng)力[σ]，就被認(rèn)為是安全 的了。由此可見，KIC 是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，是材料抵抗脆性破 壞的韌性參數(shù)。另外，已有文獻(xiàn)證明[7072]，合金的斷裂韌性在很大程度上與現(xiàn)已查明的微 組織中存在的第二相質(zhì)點(diǎn)數(shù)量、大小和形狀有關(guān)。 研究目的、意義和內(nèi)容20 世紀(jì) 60 年代以前，飛機(jī)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是追求材料有高的靜強(qiáng)度。2℃。主要 觀察合金組織的晶粒大小、晶粒形貌、變形情況、再結(jié)晶情況及第二相粒子的大小、形貌、分布等。25哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第 3 章 2124 合金固溶和時(shí)效工藝研究 2124 合金熱軋板的過燒溫度分析 2124 合金均勻化處理及熱軋加工后還有一定數(shù)量的較粗大殘留第二相，若 使這些相溶解，充分發(fā)揮合金元素的時(shí)效強(qiáng)化作