不同时效状态对2A97 铝锂合金薄板疲劳损伤行为的影响

虞朝智 李国爱 王 亮 郝时嘉 郝 敏 王向杰

（1、北京航空材料研究院,北京 100095 2、北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心,北京 100095 3、东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819）

在具有强烈减重需求的航空、航天领域,如何有效降低结构重量是众多研究者一直努力的方向,采取低密度的材料是降低结构重量最为有效的方法[1]。在铝合金中每加入1%的Li 使合金密度减重3%并使弹性模量增加6%[2],减重效果非常显著,在航空、航天领域获得广泛的应用[3-4]。为了充分发挥铝锂合金性能的优势,在第三代、第四代铝锂合金中采取多元合金化的方式并结合形变热处理等工艺来调控合金的宏微观组织及性能[5-7]。2A97 铝锂合金是国内自主研发的第三代铝锂合金,可以用于制备厚板、薄板、型材等产品,通过热处理状态的调整,可使其具备高强高韧、中强耐腐蚀等不同的性能特征[8,9]。近些年来,针对航空、航天不同应用部位的需求,在2A97 铝锂合金的疲劳损伤、腐蚀机理等方面开展了大量研究,也获得了很多成果,但大部分成果集中在T8x状态上,而对于人工时效状态以及自然时效状态下的疲劳损伤性能的差异与影响机理方面研究的相对较少,还有待进一步探索验证。

1 实验材料与方法

实验采用西南铝生产的δ2.0mm 规格2A97 铝锂合金薄板,沿长度方向相邻位置取样,其中一块保持T3 状态不变,另一块通过125 C/16h+150 C/10h 人工时效处理至T8 状态。分别两种状态板材上取拉伸、高倍以及原位疲劳试样。测试纵向、横向、45 三个方向拉伸性能,结果取3 个有效数据平均值。原位疲劳试样为横向双边缺口试样。将疲劳试样安装在带有疲劳试验机的SEM-SERVO 550 扫描电镜下进行原位轴向疲劳试验。

2 试验结果及分析

2.1 不同状态板材的拉伸性能

表1 示出了2A97-T3、T8 状态板材的拉伸性能,可以发现从T3 状态到T8 状态,合金的强度大幅度增加,屈服强度增加200MPa 左右,抗拉强度增加100MPa 以上,同时,伸长率急剧降低；与T3 状态相比,T8 状态的拉伸性能各向异性显著减低,屈服强度的IPA 从12.1%降低到8.7%,抗拉强度的IPA 从8.9%降低到7.6%。

表1 不同状态2A97 铝锂合金板材拉伸性能

2.2 不同状态板材微观组织特征

图1、图2 分别示出了2A97-T3、T8 状态合金[110]Al带轴下析出相的形貌。可以发现T3 状态下从衍射花样中仅观察到δ'析出相的衍射花样,明暗场下可以在晶界以及晶内观察到大量直径在1～3nm 的δ'相以及少部分5～8nm 左右的β' 相；T8 状态下的衍射花样较为复杂,包含有大量的T1相,部分δ'/θ"/δ' 共生相,其中T1相尺寸较大长度在100～150nm 左右,共生相尺寸略小,在20～60nm 左右,T8 状态的晶界上基本为连续分布的T1相。

图1 2A97-T3 状态微观组织特征

图2 2A97-T8 状态微观组织特征

2.3 疲劳损伤过程

图3 示出了不同状态2A97 铝锂合金电解抛光试样裂纹长度及循环次数之间的关系,根据裂纹长度统计了T3、T8 状态试样裂纹萌生、稳态扩展、快速扩展阶段的寿命比例。发现T3 状态的疲劳寿命远高于T8 状态,T3 状态稳态扩展阶段所占比例最高,T8 状态微裂纹萌生阶段所占比例最高。

图3 两种状态板材疲劳裂纹长度与循环次数的变化曲线

图4 示出了不同状态试样疲劳过程中裂纹萌生及扩展的特点,可以发现T3 状态试样在靠近缺口边缘先出现大范围滑移带,形成多条微裂纹,随着疲劳次数增加,沿45°方向的一条裂纹开始扩展成为主裂纹。

在往复疲劳载荷作用下,会有很多滑移系同时形成并开动,如图4（a）所示；随后裂纹扩展达到晶界时,会在裂纹尖端相邻或次相邻的4～6 个晶粒内形成滑移条带,并诱发微裂纹形成,最终裂纹联通贯穿晶界,析出相的差异同样影响到裂纹的扩展路径,当裂纹扩展遇到晶界时,位错运动受晶界阻碍从而在晶界处聚集,形成了强烈的应力集中,由于δ'析出相易被位错切割的特性,位错开动和增值的阻力较小,诱发了相邻晶粒内部多个滑移系的出现如图4（b）所示；在裂纹扩展后期,其扩展方向变为垂直加载方向,如图4（e）所示。

图4 不同状态2A97 铝锂合金的疲劳萌生及扩展过程

与T3 状态试样相比,T8 状态的试样在试样边部缺口位置的晶粒内沿与加载方向成45 角的方向形成少量的滑移条带,其中一条滑移条带逐渐增长成为微裂纹,此时的塑性区约为40～50 m,由于大尺寸片针状的T1相很难被位错切过,导致位错往复运动受阻,只有在T1相分布较少区域的少量滑移系形成如图4（c）所示；当微裂纹逐渐扩展接近晶界时,在紧邻的1～2 个晶粒内也会产生一些滑移条带,但滑移带的数量和尺寸均少于T3 状态,随后,裂纹抵达晶界时,大量位错聚集导致的应力超过晶界的结合强度,晶界发生开裂,裂纹沿晶界扩展,如图4（d）所示。随后,随着疲劳次数的增加,裂纹沿晶界持续扩展,总体方向与加载方向大致垂直,如图4（f）。

3 结论

3.1 两种状态2A97 铝锂合金薄板具有基本完全相同的宏观组织,但在析出相方面有很大差异,T3 状态主要是1～3nm 的δ' 相以及少部分5～8nm 左右的β' 相,T8 状态则是大量尺寸在100～150nm 的T1相以及尺寸在20～60nm的δ'/θ"/δ'共生相。

3.2 与T3 状态相比,T8 状态具有更高的强度、更低的各向异性以及较低的伸长率；疲劳试验过程中,T3 状态具有较高的抗疲劳性能,疲劳裂纹的萌生、扩展都在晶粒内部进行,属于穿晶扩展；T8 状态的抗疲劳损伤性能较差,裂纹在晶内萌生,随后遇到晶界后转为沿晶扩展。