虞朝智 李國愛 王 亮 郝時嘉 郝 敏 王向杰

（1、北京航空材料研究院,北京 100095 2、北京市先進鋁合金材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,北京 100095 3、東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819）

在具有強烈減重需求的航空、航天領(lǐng)域,如何有效降低結(jié)構(gòu)重量是眾多研究者一直努力的方向,采取低密度的材料是降低結(jié)構(gòu)重量最為有效的方法[1]。在鋁合金中每加入1%的Li 使合金密度減重3%并使彈性模量增加6%[2],減重效果非常顯著,在航空、航天領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[3-4]。為了充分發(fā)揮鋁鋰合金性能的優(yōu)勢,在第三代、第四代鋁鋰合金中采取多元合金化的方式并結(jié)合形變熱處理等工藝來調(diào)控合金的宏微觀組織及性能[5-7]。2A97 鋁鋰合金是國內(nèi)自主研發(fā)的第三代鋁鋰合金,可以用于制備厚板、薄板、型材等產(chǎn)品,通過熱處理狀態(tài)的調(diào)整,可使其具備高強高韌、中強耐腐蝕等不同的性能特征[8,9]。近些年來,針對航空、航天不同應(yīng)用部位的需求,在2A97 鋁鋰合金的疲勞損傷、腐蝕機理等方面開展了大量研究,也獲得了很多成果,但大部分成果集中在T8x狀態(tài)上,而對于人工時效狀態(tài)以及自然時效狀態(tài)下的疲勞損傷性能的差異與影響機理方面研究的相對較少,還有待進一步探索驗證。

1 實驗材料與方法

實驗采用西南鋁生產(chǎn)的δ2.0mm 規(guī)格2A97 鋁鋰合金薄板,沿長度方向相鄰位置取樣,其中一塊保持T3 狀態(tài)不變,另一塊通過125 C/16h+150 C/10h 人工時效處理至T8 狀態(tài)。分別兩種狀態(tài)板材上取拉伸、高倍以及原位疲勞試樣。測試縱向、橫向、45 三個方向拉伸性能,結(jié)果取3 個有效數(shù)據(jù)平均值。原位疲勞試樣為橫向雙邊缺口試樣。將疲勞試樣安裝在帶有疲勞試驗機的SEM-SERVO 550 掃描電鏡下進行原位軸向疲勞試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同狀態(tài)板材的拉伸性能

表1 示出了2A97-T3、T8 狀態(tài)板材的拉伸性能,可以發(fā)現(xiàn)從T3 狀態(tài)到T8 狀態(tài),合金的強度大幅度增加,屈服強度增加200MPa 左右,抗拉強度增加100MPa 以上,同時,伸長率急劇降低；與T3 狀態(tài)相比,T8 狀態(tài)的拉伸性能各向異性顯著減低,屈服強度的IPA 從12.1%降低到8.7%,抗拉強度的IPA 從8.9%降低到7.6%。

表1 不同狀態(tài)2A97 鋁鋰合金板材拉伸性能

2.2 不同狀態(tài)板材微觀組織特征

圖1、圖2 分別示出了2A97-T3、T8 狀態(tài)合金[110]Al帶軸下析出相的形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)T3 狀態(tài)下從衍射花樣中僅觀察到δ'析出相的衍射花樣,明暗場下可以在晶界以及晶內(nèi)觀察到大量直徑在1～3nm 的δ'相以及少部分5～8nm 左右的β' 相；T8 狀態(tài)下的衍射花樣較為復雜,包含有大量的T1相,部分δ'/θ"/δ' 共生相,其中T1相尺寸較大長度在100～150nm 左右,共生相尺寸略小,在20～60nm 左右,T8 狀態(tài)的晶界上基本為連續(xù)分布的T1相。

圖1 2A97-T3 狀態(tài)微觀組織特征

圖2 2A97-T8 狀態(tài)微觀組織特征

2.3 疲勞損傷過程

圖3 示出了不同狀態(tài)2A97 鋁鋰合金電解拋光試樣裂紋長度及循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系,根據(jù)裂紋長度統(tǒng)計了T3、T8 狀態(tài)試樣裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴展、快速擴展階段的壽命比例。發(fā)現(xiàn)T3 狀態(tài)的疲勞壽命遠高于T8 狀態(tài),T3 狀態(tài)穩(wěn)態(tài)擴展階段所占比例最高,T8 狀態(tài)微裂紋萌生階段所占比例最高。

圖3 兩種狀態(tài)板材疲勞裂紋長度與循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖4 示出了不同狀態(tài)試樣疲勞過程中裂紋萌生及擴展的特點,可以發(fā)現(xiàn)T3 狀態(tài)試樣在靠近缺口邊緣先出現(xiàn)大范圍滑移帶,形成多條微裂紋,隨著疲勞次數(shù)增加,沿45°方向的一條裂紋開始擴展成為主裂紋。

在往復疲勞載荷作用下,會有很多滑移系同時形成并開動,如圖4（a）所示；隨后裂紋擴展達到晶界時,會在裂紋尖端相鄰或次相鄰的4～6 個晶粒內(nèi)形成滑移條帶,并誘發(fā)微裂紋形成,最終裂紋聯(lián)通貫穿晶界,析出相的差異同樣影響到裂紋的擴展路徑,當裂紋擴展遇到晶界時,位錯運動受晶界阻礙從而在晶界處聚集,形成了強烈的應(yīng)力集中,由于δ'析出相易被位錯切割的特性,位錯開動和增值的阻力較小,誘發(fā)了相鄰晶粒內(nèi)部多個滑移系的出現(xiàn)如圖4（b）所示；在裂紋擴展后期,其擴展方向變?yōu)榇怪奔虞d方向,如圖4（e）所示。

圖4 不同狀態(tài)2A97 鋁鋰合金的疲勞萌生及擴展過程

與T3 狀態(tài)試樣相比,T8 狀態(tài)的試樣在試樣邊部缺口位置的晶粒內(nèi)沿與加載方向成45 角的方向形成少量的滑移條帶,其中一條滑移條帶逐漸增長成為微裂紋,此時的塑性區(qū)約為40～50 m,由于大尺寸片針狀的T1相很難被位錯切過,導致位錯往復運動受阻,只有在T1相分布較少區(qū)域的少量滑移系形成如圖4（c）所示；當微裂紋逐漸擴展接近晶界時,在緊鄰的1～2 個晶粒內(nèi)也會產(chǎn)生一些滑移條帶,但滑移帶的數(shù)量和尺寸均少于T3 狀態(tài),隨后,裂紋抵達晶界時,大量位錯聚集導致的應(yīng)力超過晶界的結(jié)合強度,晶界發(fā)生開裂,裂紋沿晶界擴展,如圖4（d）所示。隨后,隨著疲勞次數(shù)的增加,裂紋沿晶界持續(xù)擴展,總體方向與加載方向大致垂直,如圖4（f）。

3 結(jié)論

3.1 兩種狀態(tài)2A97 鋁鋰合金薄板具有基本完全相同的宏觀組織,但在析出相方面有很大差異,T3 狀態(tài)主要是1～3nm 的δ' 相以及少部分5～8nm 左右的β' 相,T8 狀態(tài)則是大量尺寸在100～150nm 的T1相以及尺寸在20～60nm的δ'/θ"/δ'共生相。

3.2 與T3 狀態(tài)相比,T8 狀態(tài)具有更高的強度、更低的各向異性以及較低的伸長率；疲勞試驗過程中,T3 狀態(tài)具有較高的抗疲勞性能,疲勞裂紋的萌生、擴展都在晶粒內(nèi)部進行,屬于穿晶擴展；T8 狀態(tài)的抗疲勞損傷性能較差,裂紋在晶內(nèi)萌生,隨后遇到晶界后轉(zhuǎn)為沿晶擴展。