2124铝合金板材断裂韧性和高周疲劳特性研究

摘要

通过MTS测试了不同厚度2124-T851铝合金板材的断裂韧性，并详细考察了合金板材的疲劳性能。此外，通过金相实验方法(OM)，X射线物相分析(XRD)以及透射电镜分析(TEM)，结合断裂韧性测试以及疲劳性能实验失效样品断口扫描电镜扫描分析(SEM)研究了合金微观组织结构对2124-T851铝合金板材断裂韧性和疲劳性能的影响。结果表明： (1)2124-T851铝合金板材不同取向的断裂韧性不同，L-T向断裂韧性明显优于T-L向；30mm厚板材断裂韧性最好，L-T向为29.64MPa√m ，T-L向为24.31MPa√m 。 (2)2124-T851铝合金板材应力幅值低于243MPa时，疲劳寿命达到107；随厚度的增加，疲劳强度下降，疲劳裂纹扩展速率增加。 (3)高周疲劳断裂过程中应力幅值越高，样品疲劳寿命越低，瞬断区面积占总的断面面积的比例也越大。应力幅值对板材疲劳寿命的影响主要在于随着应力幅值的提高，在疲劳辉纹间距略有增大的同时，疲劳裂纹越早进入瞬时断裂阶段。 (4)疲劳裂纹扩展速率计算结果，30mm厚板材为da/dN=2.8×10-8(△K)3.5；40mm厚板材为da/dN=4.4×l0-8(△K)3.4；55mm厚板材为da/dN=5.7×10-8(△K)3.3。由于裂纹闭合效应等因素的影响，循环载荷数会远大于微观可见的疲劳辉纹数目，因此计算结果与断口观察的疲劳辉纹间距有差异。 (5)2124-T851铝合金疲劳裂纹扩展有明显的三阶段特性，疲劳裂纹一般在试样表面萌生，裂纹扩展中产生大量疲劳辉纹，随着裂纹的扩展疲劳辉纹间距会增大，随后发生瞬时断裂，断口呈小韧窝和解理断裂的混合形貌。 (6)Paris描述的应力场强度因子范围与裂纹扩展速率的关系只适用于某一扩展阶段，裂纹在Ⅰ和Ⅲ阶段，其扩展速率都是随△K的增加而急剧上升。疲劳瞬断区的形成和材料的断裂韧性是相关的，当Kmax大约达到KIC时材料发生断裂。 (7)2124-T851铝合金板材为不完全的再结晶组织，合金主要相有α-Al基体，针状析出相S′(Al2CuMg)以及大颗粒析出相Al6(Fe，Mn)。 (8)晶界和亚晶界能有效阻止疲劳裂纹的萌生和扩展，有利于合金的抗疲劳性能和断裂韧性。板材厚度对2124-T851铝合金断裂韧性以及疲劳性能的影响主要源于因板材厚度不同而导致的晶界以及亚晶界情况的差异。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1 2x24铝合金概述

1.1.1 2x24合金发展概况

1.1.2 2x24合金的合金化机理

1.1.3 2x24合金的组织与性能

1.2铝合金的断裂韧性

1.2.1应力场强度因子和断裂韧性

1.2.2铝合金断裂韧性测试方法

1.2.3影响铝合金材料断裂韧性的主要因素

1.3铝合金的疲劳

1.3.1疲劳研究发展概况

1.3.2金属疲劳的分类

1.4疲劳裂纹的萌生和扩展

1.4.1疲劳裂纹扩展一般规律性描述

1.4.2疲劳裂纹萌生的主要机理

1.4.3疲劳裂纹扩展的主要机理

1.5本论文研究的目的和主要研究内容

第二章实验材料和方法

2.1实验材料

2.2实验分析方法

2.2.1断裂韧性实验

2.2.2疲劳强度实验

2.2.3疲劳裂纹扩展实验

2.2.4断口扫描电镜观察

2.2.5金相组织观察

2.2.6 X射线衍射物相分析

2.2.7透射电镜组织观察

第三章2124-T851铝合金板材断裂韧性

3.1不同厚度2124-T851铝合金板材断裂韧性

3.1.1不同厚度2124-T851铝合金板材L-T向断裂韧性

3.1.2不同厚度2124-T851铝合金板材T-L向断裂韧性

3.2合金断口分析

3.3分析与讨论

3.3.1板材厚度对2124-T851合金断裂韧性的影响机制

3.3.2 2124-T851合金厚板不同方向断裂韧性

3.4本章小结

第四章2124-T851铝合金板材疲劳特性

4.1 2124-T851铝合金板材疲劳强度

4.1.1不同厚度板材S-N曲线

4.1.2疲劳断口SEM观察

4.1.3分析与讨论

4.2 2124-T851铝合金板材裂纹扩展速率

4.2.1不同厚度板材裂纹扩展速率测试结果

4.2.2裂纹扩展速率试验样断口观察

4.2.3分析与讨论

4.3本章小结

第五章微观组织结构对2124合金板性能的影响

5.1 2124-T851铝合金板材显微组织结构

5.1.1不同厚度板材金相显微组织观察

5.1.2合金X射线衍射物相分析

5.1.3合金板材TEM观察

5.2分析与讨论

5.2.1晶界及亚结构对合金断裂韧性的影响

5.2.3析出相及夹杂对合金疲劳性能的影响

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文