不同時效狀態對2A97 鋁鋰合金薄板疲勞損傷行為的影響

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用工程技術研究中心,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、航天領域,如何有效降低結構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構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、航天領域獲得廣泛的應用[3-4]。為了充分發揮鋁鋰合金性能的優勢,在第三代、第四代鋁鋰合金中采取多元合金化的方式并結合形變熱處理等工藝來調控合金的宏微觀組織及性能[5-7]。2A97 鋁鋰合金是國內自主研發的第三代鋁鋰合金,可以用于制備厚板、薄板、型材等產品,通過熱處理狀態的調整,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狀態上,而對于人工時效狀態以及自然時效狀態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的δ2.0mm 規格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 狀態不變,另一塊通過125 C/16h+150 C/10h 人工時效處理至T8 狀態。分別兩種狀態板材上取拉伸、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,結果取3 個有效數據平均值。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 試驗結果及分析

2.1 不同狀態板材的拉伸性能

表1 示出了2A97-T3、T8 狀態板材的拉伸性能,可以發現從T3 狀態到T8 狀態,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 狀態相比,T8 狀態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2A97 鋁鋰合金板材拉伸性能

2.2 不同狀態板材微觀組織特征

圖1、圖2 分別示出了2A97-T3、T8 狀態合金[110]Al帶軸下析出相的形貌。可以發現T3 狀態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 狀態的晶界上基本為連續分布的T1相。

圖1 2A97-T3 狀態微觀組織特征

圖2 2A97-T8 狀態微觀組織特征

2.3 疲勞損傷過程

圖3 示出了不同狀態2A97 鋁鋰合金電解拋光試樣裂紋長度及循環次數之間的關系,根據裂紋長度統計了T3、T8 狀態試樣裂紋萌生、穩態擴展、快速擴展階段的壽命比例。發現T3 狀態的疲勞壽命遠高于T8 狀態,T3 狀態穩態擴展階段所占比例最高,T8 狀態微裂紋萌生階段所占比例最高。

圖3 兩種狀態板材疲勞裂紋長度與循環次數的變化曲線

圖4 示出了不同狀態試樣疲勞過程中裂紋萌生及擴展的特點,可以發現T3 狀態試樣在靠近缺口邊緣先出現大范圍滑移帶,形成多條微裂紋,隨著疲勞次數增加,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 個晶粒內形成滑移條帶,并誘發微裂紋形成,最終裂紋聯通貫穿晶界,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,誘發了相鄰晶粒內部多個滑移系的出現如圖4（b）所示；在裂紋擴展后期,其擴展方向變為垂直加載方向,如圖4（e）所示。

圖4 不同狀態2A97 鋁鋰合金的疲勞萌生及擴展過程

與T3 狀態試樣相比,T8 狀態的試樣在試樣邊部缺口位置的晶粒內沿與加載方向成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 個晶粒內也會產生一些滑移條帶,但滑移帶的數量和尺寸均少于T3 狀態,隨后,裂紋抵達晶界時,大量位錯聚集導致的應力超過晶界的結合強度,晶界發生開裂,裂紋沿晶界擴展,如圖4（d）所示。隨后,隨著疲勞次數的增加,裂紋沿晶界持續擴展,總體方向與加載方向大致垂直,如圖4（f）。

3 結論

3.1 兩種狀態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 狀態主要是1～3nm 的δ' 相以及少部分5～8nm 左右的β' 相,T8 狀態則是大量尺寸在100～150nm 的T1相以及尺寸在20～60nm的δ'/θ"/δ'共生相。

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