2024铝合金高周疲劳性能及机理研究

论文摘要

2024铝合金是重要的航空铝合金之一,对其成分设计、组织结构控制、性能优化及其机理的研究一直是航空铝合金研究领域的前沿性课题。特别是作为战斗机用材料,其疲劳性能的优劣对飞机的安全性起着重要的作用。飞机的起降、高空飞行过程会受到循环外力的不断作用,如果材料的疲劳强度低,就会造成飞机机体的疲劳断裂,飞机的安全性就无法保证。所以,开展对2024航空铝合金高周疲劳性能与组织结构之间关系的研究,对研制具有高性能飞机铝合金材料具有重要的科学研究与应用价值。本文通过轴向高频疲劳试样S-N曲线的测试,主要利用金相显微镜、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）以及能谱（EDS）等分析方法,对2024铝合金疲劳样品的组织结构、疲劳性能及相关断裂机理进行了研究,实验结果表明：1)在室温条件下,应力集中会降低2024铝合金的疲劳性能。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=-1,光滑试样无论是在疲劳极限还是在各个区域的疲劳寿命,设计使用的力都远大于缺口试样。2)应力比R也是影响疲劳性能的主要因素之一。应力比R值越小,疲劳强度越小,反之,疲劳性能越好；而当应力比R值为-1时,即拉-压疲劳强度远小于R为正的拉-拉疲劳强度。当应力集中系数相同的情况下,Kt=3,R分别为0.5、0.06、-1时,疲劳极限分别为141.07MPa,92.00MPa,62.79MPa.疲劳极限随着应力集中系数的增加而降低,而且当R降至-1转变为拉压疲劳时,疲劳极限降低最为明显。3)2024铝合金中弥散的强化相主要是细小的Cu2Mn3Al20相、较大的CuAl2或（Mn,Fe）Al6相,这些第二相颗粒起到了阻碍疲劳裂纹扩展的作用,使材料的高周疲劳强度得到了明显的提高。4)2024铝合金的疲劳裂纹萌生主要在样品的表面缺陷处,随着主应力的作用,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。2024铝合金的疲劳断裂断口以穿晶断裂为主。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 铝及铝合金
• 1.2.1 纯铝
• 1.2.2 铝合金
• 1.2.3 形变铝合金
• 1.2.4 铸造铝合金
• 1.3 航空铝合金发展过程
• 1.4 2024高强航空铝合金的发展及应用
• 1.5 材料的疲劳
• 1.5.1 材料疲劳概念
• 1.5.2 疲劳断裂分类
• 1.5.3 材料疲劳破坏机理
• 1.5.4 铝合金疲劳机制
• 1.5.5 材料疲劳的过程及其特征
• 1.5.6 疲劳性能的主要影响因素
• 1.5.7 改善疲劳性能的主要方法
• 1.6 疲劳失效的断口分析
• 1.6.1 断口的分类[56]
• 1.6.2 疲劳断口分析
• 1.7 本文研究主要目的及内容
• 第2章 实验及研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 疲劳极限和S-N曲线的测定
• 2.2.1 升降法
• 2.2.2 成组法
• 2.3 疲劳性能与断口分析
• 2.4 组织结构与相分析
• 第3章 实验结果与分析
• 3.1 疲劳性能及分析
• 3.1.1 疲劳极限
• 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 缺口试样受力情况
• 3.3 疲劳断裂断口分析
• 3.3.1 断口宏观形貌
• 3.3.2 断口三维形貌
• 3.3.3 断口微观形貌分析
• 3.4 疲劳试样的组织结构
• 3.4.1 金相分析
• 3.4.2 相形貌与结构分析
• 3.5 显微组织对铝合金疲劳性能的影响
• 3.5.1 疲劳裂纹萌生
• 3.5.2 组织对疲劳裂纹扩展的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文等情况
• 致谢
• 个人简介