形变及时效强化对2198铝锂合金损伤容限的影响研究

摘要

2198铝锂合金作为优异的轻质高强材料被越来越多地应用于航空航天领域。为实现2198铝锂合金在 T3态下成形，并通过时效强化提高其损伤容限，本文对2198-T3态铝锂合金充液拉深成形及人工时效强化工艺进行了系统研究；采用单向拉伸试验和撕裂试验测了2198铝锂合金的常规力学性能及断裂韧性；采用高周疲劳寿命及疲劳裂纹扩展速率评价其疲劳性能；采用透射电镜(TEM)分析了其显微组织。
　　首先，通过对2198-T3态铝锂合金的成形性能及拉深成形工艺研究发现，该合金在不同方向上应变硬化指数n值一致，但塑性应变比r值差异较大，合金各向异性明显；合金变形抗力曲线采用幂函数本构方程ζ=ζy+Kεn进行描述时，可准确预测材料塑性变形行为；充液拉深成形过程中液室溢流压力、压边间隙、预胀压力大小对零件成形质量具有较大影响，采用数值模拟获得最佳充液拉深成形工艺参数为预胀压力2MPa，液室溢流压力25MPa，压边间隙1.05倍板料厚度。数值模拟结果与成形试验结果具有较好的吻合性，从而通过数值模拟可准确预测成形零件的变形量。
　　其次，探索了时效温度与时间对2198铝锂合金组织和性能的影响。研究结果表明，在所研究的时效温度(125℃~185℃)范围内，随着时效温度的升高，合金抗拉强度和屈服强度显著提高，并且时效响应速度明显加快；时效时间对合金时效早期(2h~20h)的强度及塑性影响较大，但在时效后期(20h~50h)其影响较小。采用155℃，20h的人工时效工艺，可获得最佳的强度与塑韧性匹配。
　　最后，以获得的成形零件最大变形量5％为依据，对2198铝锂合金开展不同程度的预拉伸变形后人工时效。结果表明，预变形及人工时效对合金强化效果显著，在所研究的预变形量(1%~5%)范围内，基体内位错密度随着合金预变形量的增加而增加，从而促进T1相的弥散析出，强度随之提高；而过大的预变形量造成基体内位错缠结，表面及内部微裂纹增加，导致合金塑韧性下降，疲劳寿命降低，疲劳裂纹扩展加快；当不同预变形量合金时效后处于近峰值时效状态时，预变形量的增加提高了T1相在基体内分布均匀性，抑制了PFZ的形成及宽化，其韧性得到显著改善。总体而言，2198铝锂合金经3%预变形后在155℃时效15h能够获得强度、塑韧性及疲劳性能的最佳匹配，其损伤容限优异。

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第一章 绪论

1.1 铝锂合金概述

1.2 铝锂合金的成形工艺

1.3 铝锂合金的损伤容限评价

1.4 本文的研究目的及主要内容

第二章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 2198铝锂合金构件成形工艺

2.3 2198铝锂合金时效强化工艺

2.4 常规性能测试及组织表征

2.5 撕裂法测试断裂韧性

2.6 疲劳性能评价

第三章 2198铝锂合金充液拉深成形工艺研究

3.1 2198铝锂合金成形参数研究

3.2 2198铝锂合金充液拉深成形数值模拟

3.3 2198铝锂合金构件充液拉深成形试验及仿真对比

3.4本章小结

第四章 单级人工时效工艺对2198铝锂合金强韧性的影响研究

4.1 时效工艺对2198铝锂合金常规力学性能的影响

4.2 时效工艺对2198铝锂合金断裂韧性的影响

4.3 拉伸断口形貌及析出相研究

4.4 本章小结

第五章 预变形及时效强化对2198铝锂合金强韧性和疲劳性能的影响研究

5.1 预变形及人工时效对2198铝锂合金组织和强韧性的影响

5.2 预变形及人工时效对2198铝锂合金高周疲劳性能的影响

5.3 预变形及人工时效对2198铝锂合金疲劳裂纹扩展速率的影响

5.4 相析出行为研究

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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