第28卷 第6期
2008年12月
航 空 材 料 学 报
J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS
V ol 28,N o 6 D ece m be r 2008
时效状态对7055铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响
黄 敏1
, 陈军洲2
, 戴圣龙1
, 甄 良2
, 杨守杰
1
(1.北京航空材料研究院,北京100095;2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001)
摘要:研究了室温大气环境下欠时效态和峰时效态7055铝合金的疲劳裂纹扩展行为,并分别利用透射电镜和扫描电镜对合金的微观组织及疲劳断口进行分析。结果表明,欠时效态合金的疲劳裂纹扩展速率较慢,表现出较大的疲劳裂纹扩展抗力。而峰时效态合金的疲劳裂纹扩展速率较快,疲劳裂纹扩展抗力较小。用位错的平面滑移性和循环滑移可逆性解释了时效对疲劳裂纹扩展速率的影响。欠时效态和峰时效态的疲劳断口均以穿晶为主。在疲劳裂纹的第二扩展阶段,欠时效态合金呈现清晰的疲劳条纹,而峰时效态合金出现二次裂纹,未发现疲劳条纹。关键词:7055铝合金;时效;疲劳裂纹扩展速率;疲劳断口
中图分类号:TG113 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2008)06 0023 04
收稿日期:2008 03 01;修订日期:2008 06 17
基金项目:国家重点基础研究发展计划973计划(2005CB23705)
作者简介:黄敏(1974 ),男,工程师,主要从事高强铝合金研究,(E m a il)m i n huang @bia m ac cn 。
7055铝合金是由美国铝业公司研发的一种A l Zn M g Cu 系新型超高强铝合金,得益于高的Zn /M g
比、Cu /M g 比以及T77处理,该合金具有高强度、低密度、高的断裂韧度、良好的抗腐蚀性能以及优异的疲劳裂纹扩展抗力等诸多优点[1]
,在航空航天领域具有较大的应用潜力。国外对该合金的研究已经成熟,并已将其应用于Boeing 777和A380客机。目前,国内研究还停留在起步阶段。
最近关于时效析出相对7055铝合金强度影响
的研究比较多[2-4]
,但对该合金疲劳裂纹扩展速率
的研究较少,尤其是时效析出相对疲劳裂纹扩展速率的影响更是鲜有报道。Sri v atsan [5]
曾对T77状态
的7055铝合金的疲劳性能进行研究,但他没有引入时效状态的影响。本研究以欠时效态和峰时效态7055铝合金为典型材料,研究不同时效状态对合金疲劳裂纹扩展行为的影响。
1 实验材料及方法
实验材料为7055铝合金,其化学成分见表1。
表1 7055铝合金的化学成分/w t %
T ab l e 1 Che m i ca l compositi ons o f 7055a l um i nu m a lloy /w t %
Zn M g Cu Z r F e S i C r A l 7.8
1.9
2.4
0.12
0.06
0.06
0.005
Ba l
从7055铝合金原板中切取片状拉伸试样,其标
距尺寸为15mm 6mm 1.5mm 。试样经固溶处理(在盐浴炉中477 保温1h 水淬)后,在120 干燥箱中进行人工时效。常温拉伸试验在Instron 5500万能电子拉伸机完成,拉伸方向与板材的轧制方向平行。图1为7055铝合金120 下保温不同时间的力学性能演变。从图中看出,
合金强度
图1 7055铝合金120 下保温不同时间的
力学性能演变
F i g.1 Evo l uti on of m echan ica l prope rti es o f
7055A l all oy dur i ng ag eing a t 120
航 空 材 料 学 报第28卷
在时效前期迅速增加,当时效24h 后屈服强度基本保持稳定。因此,选定120 1h(欠时效)、120 24h(峰时效)两种时效状态来研究合金的疲劳裂纹扩展速率。
疲劳裂纹扩展速率实验按ASTM [6]
和中国国家
标准
[7]
中的要求在MTS 810实验机上进行,应力比
R 分别取0.5和0.7。疲劳裂纹扩展速率试样按照
北京航空材料研究院标准,采用厚为6mm 的M (T)试样(试样图号M 2504 S132,所用试样尺寸是270X75X6)。实验在室温、大气环境下进行。用透射电镜观察合金晶内析出相、用扫描电镜观察疲劳断口形貌,以深入研究时效状态对7055铝合金疲劳裂纹扩展的影响。
2 实验结果
2.1 微观组织
不同时效态7055铝合金晶内析出相及其<001>A l 带轴下的选区电子衍射如图2所示。可以看出,合金经欠时效态处理后(见图2a),晶内出现大量细小弥散、分布均匀的析出相。析出相尺寸十分细小约为1~2nm,并且相间距也较小。从衍射斑点看出欠时效晶内析出相主要为GPI 和 。合金经峰时效处理后,析出相明显长大(图2b)。衍射斑点中仍然发现GPI 和 的斑点,但是 斑点明显变强,说明此时 相
对数量增多。
图2 不同时效态7055铝合金晶内析出相及其<001>A l 带轴下的选区电子衍射:
(a)欠时效(120 1h);(b)峰时效(120 24h)
F i g.2 T E M i m ages and <001>A l S ADP o f 7055A l all oy a t diff e rent age i ng cond iti ons :
(a)unde r age i ng(120 1h);(b)peak age i ng (120 24h)
2.2 疲劳裂纹扩展速率
图3为不同时效态7055铝合金疲劳裂纹d a /d N - K 关系曲线。由图可以看出,峰时效合金的裂纹扩展速率要高于欠时效合金的裂纹扩展速率,尤其在高的应力强度因子幅值范围内。在R =0 7时这一现象略微明显。通过对d a /d N - K 曲线中直线段的分析,得到不同应力比下各时效态合金的Par is 方程,其具体表达如下:
当R =0 5时,欠时效态合金:d a /d N =2.38 10-6( K )2.56 峰时效态合金:d a /d N =1.69 10-6
( K )2.88
当R=0.7时,欠时效态合金:d a /d N =1.38 10
-6
( K )
2.89
峰时效态合金:d a /d N =6.20 10-7
( K )
3.60
因此,利用Paris 公式可以定量的比较不同应力比下欠时效态和峰时效态合金的疲劳裂纹扩展速
率。
H ornbogen 曾在对欠时效 Fe N i A l 合金的研
究中提出位错滑移的可逆性理论[8]
。他认为在循环载荷作用下,加载时,位错切过强化相并在裂纹尖端塞积;降载时,位错塞积造成的应力会促使位错在同一滑移面上反向运动,由于滑移面上析出相已经破坏位错反向运动容易进行。这样使得疲劳裂纹尖端塞积的位错数量减少,塑性变形积累减少,使疲劳裂纹扩展速率减慢。可以利用该理论来解释7055铝合金不同时效态裂纹扩展速率的差异。
透射电镜观察表明(图2),欠时效态7055铝合金中主要析出相为GPI 和 ,它们的尺寸十分细小,在循环载荷作用下易被位错来回切割,提高位错
滑移的可逆性,降低了裂纹尖端的塑性变形,从而提高了裂纹的扩展阻力,使欠时效态合金具有较小的疲劳裂纹扩展速率。相反,在峰时效态7055铝合金
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