疲劳预变形对Al-4.0wt.%Cu合金力学行为的影响

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许多工程零部件在使用过程中往往受到交变载荷的作用,这会导致其力学性能的改变,尤其是在交变加载下引起的力学性能恶化将严重影响生产的安全性。因此,近些年来有很多研究者探索了疲劳预变形对材料力学行为的影响。但到目前为止,很少有人关注疲劳预变形对固溶和时效处理合金力学行为的影响。因此,本文选取时效强化型的Al-4.0wt.%Cu合金作为研究对象,系统研究疲劳预变形等级D(Damage,D=Ni/Nf,Ni为给定条件下的预疲劳周次;Nf为给定条件下的疲劳寿命)对固溶、固溶加时效处理的Al-4.0wt.%Cu合金拉伸力学行为的影响,并观察了相应的损伤特点、断口形貌和显微组织。目的是为丰富疲劳预变形影响材料力学行为的微观机理提供参考资料。研究结果表明:固溶处理的Al-4.0wt.%Cu在160℃保温1~16h后,随时效时间延长,显微硬度先提高,13 h后基本维持在45~50 HV之间,抗拉强度σUTS和屈服强度σYS提高,均匀延伸率δ下降;固溶态合金经D=5~75%疲劳预变形后拉伸,与固溶状态相比,σYS均有明显提高,δ下降,但两者对D未显示出明显的依赖性,但不同D时σUTS与未疲劳样品基本接近;在160℃保温16 h时效的合金经D=5~75%疲劳预变形后拉伸,与固溶加时效状态相比,σYs明显提高,但δ在D=5%和20%时明显提高,且此时的σUTS与固溶加时效状态的相近,继续提高D,σUTS和δ显著下降。因此,D=20%时的循环预变形导致固溶加时效合金的拉伸性能明显改善。当固溶处理的Al-4.0wt.%Cu合金时效时,随时效时间延长,析出相从薄片状的θ//相先演变成盘片状的θ/相到最终演变成盘片状的θ/相和少量的颗粒状θ相,且析出相的数量有所增加;固溶态合金拉伸变形后,析出了细小颗粒状的θ相,且位错以网络形态存在,而固溶加时效合金拉伸后,随时效时间延长,位错密度提高,从缠结向胞状结构演化,析出相增多,且从薄片状的θ//相向盘片状的θ/相转变,时效时间为13h时,还观察到细小颗粒状的θ相,时间达到16h时,θ相有所长大。固溶态合金经不同D预变形后,析出了细小的θ相,且随D提高,θ相的析出量增多,位错主要以单根的形式存在;拉伸变形后,随D提高,细小颗粒状的θ相增多,位错形成胞状结构,胞的尺寸减小,当D达到75%,位错演变成网络结构,位错密度下降。而固溶加时效态合金预变形后拉伸,随D增大,位错从缠结和胞状结构向网状和缠结结构转变,密度提高;析出相主要为盘片状的θ/相,且随D增大,θ/相数量增加,厚度变宽,当D>20%后,还有少量细小颗粒状θ相的析出。这导致强度和塑性的下降。预疲劳变形后的拉伸样品,固溶态合金表面的变形程度比固溶加时效合金的严重,固溶加时效态合金拉伸后的裂纹主要在晶界处形成,且在较高的D时,一些晶界裂纹沿滑移带向晶内扩展。D=5%和20%的预变形导致固溶加时效态合金的断口纤维区较大,韧窝较多,且其分布比较均匀。
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