2524-T34合金疲劳裂纹的萌生和扩展行为

2524-T34合金疲劳裂纹的萌生和扩展行为

郑子樵1，陈圆圆1，钟利萍1，佘玲娟1，翟同广2

【摘 要】摘要：通过四点弯曲疲劳试验研究2524-T34板材的疲劳性能，借助金相和扫描电镜观察疲劳裂纹的萌生和扩展行为。结果表明：2524合金具有良好的疲劳性能，疲劳强度达到屈服强度的80%以上；疲劳裂纹主要在第二相粒子以及第二相粒子/基体界面萌生，裂纹扩展过程中的偏转与晶界的阻碍有关；相邻晶粒内两个有利滑移面之间的位向差是控制裂纹通过晶界扩展的重要因素。 【期刊名称】中国有色金属学报 【年(卷),期】2010(020)001 【总页数】6

【关键词】2524合金；疲劳裂纹；萌生；扩展；显微组织

Al-Cu-Mg系硬铝合金广泛应用于航空航天工业，如美国在20世纪50年代注册的2024合金长期用于飞机的机身蒙皮和下翼面结构中。为了满足飞机的损伤容限设计要求，从20世纪70年代开始，一些欧美国家的铝业公司在2024合金的基础上，通过调整Cu、Mg主成分范围和降低Fe、Si杂质含量，开发出一系列高强高韧的2X24系合金，其中2524-T3铝合金被认为是目前综合性能最好的飞机蒙皮用铝合金[1-3]。2524-T3合金已用于 B777和A380等新一代民航飞机，该合金及其他先进铝合金的应用进一步减轻了这些新型客机的机体结构质量[4-5]。

SRIVATSAN等[6-7]研究了实验温度对2524-T3合金的低周疲劳和高周疲劳阻力的影响，GARY等[8-9]对比研究了 2524-T3和 2024-T3板材在多点损伤(Multisite damage)情况下的疲劳性能。但上述研究并未详细涉及 2524合金

在疲劳过程中的裂纹萌生和扩展行为。对于飞机用结构材料，不仅需要有表征材料疲劳性能的具体指标作为飞机构件设计的依据，而且还应从微观上了解疲劳裂纹萌生、扩展和断裂及其控制因素，以及与材料微观组织结构之间的关系。为此，本文作者研究了 2524合金在四点弯曲疲劳试验过程中的裂纹萌生和生长行为，重点观察裂纹的萌生位置和裂纹扩展路径，对裂纹扩展过程中的中止和偏转行为的本质进行分析。

1 实验

试验用材料为美国 Alcoa公司生产的 5 mm厚2524合金轧制板材，板材热处理状态为T34，即固溶淬火后冷轧变形 4%，然后自然时效到性能稳定，其屈服强度为360 MPa。疲劳试样沿板材长度方向截取并抛光表面，以便观察裂纹萌生和扩展情况。疲劳试验在MTS-810材料试验机上进行，应力比R=-0.1，频率为15 Hz，环境温度为25 ℃，相对湿度为15%。在疲劳试验过程中周期性地中止试验以便观察裂纹萌生和扩展行为，用光学显微镜观察合金的初始金相组织，用SEM和EDS观察疲劳断裂表面和分析合金中第二相粒子化学成分。采用光学显微镜和扫描电镜观察分析裂纹萌生和扩展行为。

2 实验结果

2.1 2524-T34合金板材的微观组织

图1所示为2524-T34合金板材的金相组织。由图1可以看出，晶粒为部分再结晶的薄饼状，沿轧制方向伸长。SEM观察显示：合金中存在许多微米尺度的第二相粒子，其中许多粒子沿轧制方向排列(见图2(a))；一些不同大小和形状的粒子呈团簇状(见图2(b))。EDS分析表明，较粗大的第二相粒子含有Al、Cu、Fe和Mn等元素，为Al7Cu2(Fe、Mn)杂质相，较细小的粒子含 Al、Cu、

Mn等元素，为 Al20Cu2Mn3分散相。此外，还有未溶解的初生平衡相S(Al2CuMg)和θ(Al2Cu)等。这些第二相粒子与在其他2XXX系合金中观察到的粒子种类是相似的，只是体积分数和大小有所区别[10-12]。 2.2 2524-T34合金板材的循环应力—寿命曲线

2524-T34合金板材的循环应力—寿命曲线如图3所示。由图3可以看出，在四点弯曲疲劳试验中测得的2524-T34板材的疲劳极限平均值大约为290 MPa，相当于该合金屈服强度的80%左右。而2024合金在相同试验条件下测得的疲劳强度为其屈服强度的50%左右[10]。显然，与传统航空铝合金 2024相比，2524合金的疲劳性能已有明显的改善。 2.3 裂纹的萌生与生长

图4所示为合金疲劳试验过程中疲劳裂纹萌生位置的OM和SEM像。由图4(a)可见，疲劳初期在一个样品上，可同时观察到多个微小裂纹，这些裂纹在不同位置萌生。主要的裂纹萌生位置如下：1) 含 Fe、Mn的 Al7Cu2(Fe，Mn)杂质相开裂(见图 4(c))；2) 未溶解的过剩相(可能是 θ(Al2Cu)相和 S(Al2CuMg)相)开裂(见图4(d))；3) 第二相粒子与基体的界面开裂(见图4(e))，说明这些粒子本身不容易开裂；4) 团簇状的粒子间开裂(见图 4(f))；5) 沿着晶界开裂，但相对于与粒子有关的裂纹萌生而言，沿着晶界萌生裂纹似乎比较少(见图 4(b))。在随后的疲劳循环过程中，这些不同位置萌生的裂纹不会同时生长，只有少数裂纹生长为长裂纹。

图5所示为疲劳裂纹的早期扩展情况。裂纹在不同晶粒中扩展时会发生偏转而改变扩展方向，并非直线状向前扩展(见图5 (a))。此外，只有少数裂纹能穿过多个晶粒继续向前扩展很长的距离直至断裂，这些长距离扩展的主裂纹在扩展