高强航空铝合金的组织与高周疲劳性能研究

摘要

铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、成型性好、资源丰富、成本低等一系列优点，在航空航天、船舶、核工业及兵器工业都有着广泛的应用以及不可替代的地位。作为飞机机体的主要结构用材的航空铝合金，其发展应用与飞机的发展息息相关。航空铝合金的S-N曲线对于飞机结构材料的设计有着不可缺少的指导意义;研究疲劳性能及其与应力状态、组织结构的关系，提高材料的疲劳强度以避免或延缓疲劳破坏发生对飞机的设计更是有着重要的科学意义与广泛的应用价值。
　　本文利用GPS-100型高频疲劳试验机测得不同参数的2024及1161航空铝合金的S-N曲线，通过设计不同的应力比以及应力集中系数的铝合金疲劳试样研究铝合金疲劳失效的规律，主要利用TEM、SEM、EDS、XRD、OM以及有限元等分析手段，对疲劳试样的应力状态、疲劳断口、组织结构进行了深入研究，研究结果表明:
　　随着应力集中系数的增大，疲劳极限降低，合金有明显的缺口效应，应力集中系数从1增至3，疲劳极限降低一半以上:当应力比R为0.06时，光滑试样(Kt=1)的疲劳极限为227.85MPa，缺口试样(Kt=3)的疲劳极限为92.00MPa;当应力比R为-1时，光滑试样的疲劳极限为135.40MPa，而缺口试样的疲劳极限为62.79MPa。应力比也对2024铝合金疲劳极限有较大的影响，随着应力比的减小，其疲劳极限降低:当应力集中系数同为3，R分别为0.5，0.06，-1时，疲劳极限分别为141.07MPa，92.00MPa，62.79MPa。
　　2024铝合金的裂纹主要萌生于试样表面，且易于萌生于表面缺陷、表面第二相粒子、第二相粒子/基体界面以及氧化物或硫化物夹杂处;合金的疲劳裂纹早期均呈现曲折的扩展，其优先沿有利滑移面扩展，当两个晶粒的有利滑移面存在夹角时，裂纹发生偏折，形成断口的晶体学形貌;疲劳断口以穿晶断裂为主。
　　2024铝合金组织在T351热处理状态下通过形变强化、弥散强化、固溶强化提高材料的强度。合金中弥散的强化相主要是细小的Cu2Mn3Al20相，它可以阻碍位错运动，使位错缠结，产生高密度的位错，而高密度的位错可以提高位错运动的阻力，有效地阻止微裂纹的形核和扩展，同时，在晶界析出的Cu2Mn3Al20相可以有效地阻止晶粒长大，提高材料的疲劳强度;而较大的CuAl2或(Mn，Fe)Al6等颗粒可以阻碍裂纹的扩展，一旦颗粒破碎或与基体脱离，则会促进疲劳裂纹的扩展或促进瞬断区韧窝的形成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铝及铝合金

1．2 航空铝合金

1．2．1 航空铝合金的研究进展

1．2．2 航空铝合金的应用

1．3 高强航空铝合金2024的发展及应用

1．4 材料的疲劳概述

1．4．1 材料疲劳破坏机理

1．4．2 铝合金疲劳模型

1．4．3 材料疲劳的过程及其特征

1．4．4 疲劳性能的主要影响因素

1．4．5 改善疲劳性能的主要方法

1．5 疲劳失效的断口分析

1．5．1 断口的分类

1．5．2 断口分析技术和意义

1．5．3 疲劳断口分析

1．6 本文研究主要目的及内容

第2章 实验及研究方法

2．1 疲劳极限和S-N曲线的测定

2．1．1 升降法

2．1．2 成组法

2．2 疲劳性能与断口分析

2．3 组织、成分与相分析

第3章 实验结果与分析

3．1 疲劳性能分析

3．1．1 疲劳极限分析

3．1．2 S-N曲线分析

3．2 疲劳试样有限元受力分析

3．2．1 引言

3．2．2 光滑试样受力分析

3．2．3 缺口试样受力分析

3．3 疲劳断裂断口分析

3．3．1 断口宏观形貌分析

3．3．2 断口三维形貌分析

3．3．3 断口微观形貌分析

3．4 疲劳试样组织与析出相分析

3．4．1 疲劳试样金相组织分析

3．4．2 疲劳试样XRD与SEM分析

3．4．3 疲劳试样TEM分析

3．5 显微组织对铝合金疲劳性能的影响

3．5．1 组织对强度的影响

3．5．2 组织对疲劳裂纹萌生的影响

3．5．3 组织对疲劳裂纹扩展的影响

3．6 2024铝合金疲劳机制

3．6．1 疲劳裂纹萌生

3．6．2 疲劳裂纹扩展

3．7 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢

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