Al-Cu-Mg合金抗疲劳的溶质原子团簇尺寸效应机理

针对国家大飞机工程对铝合金耐疲劳损伤性能的需求背景及抗疲劳损伤铝合金的发展动向，本项目采用三维原子探针、高分辨透射电镜、透射电镜、DSC等现代分析方法，研究溶质原子团簇尺寸对模量强化效应的影响、原子团簇与位错交互作用、原子团簇尺寸对驻留滑移带的形成、裂纹萌生及短裂纹扩展的影响机理，开展疲劳裂纹尖端溶质原子团簇溶解热力学及团簇尺寸对原子团簇溶解动力学的影响机理分析，揭示溶质原子团簇尺寸对Al-Cu-Mg合金疲劳性能的影响机理。由此，获得Al-Cu-Mg合金的新型耐疲劳损伤微结构及其控制方法，发展铝合金耐疲劳损伤的新型热处理技术原型和新的热处理状态，提升我国铝合金产业技术水平及航空制造技术水平。

针对国家大飞机工程对铝合金耐疲劳损伤性能的需求背景及抗疲劳损伤铝合金的发展动向，本项目采用三维原子探针、透射电镜、扫描电镜等分析方法，研究溶质原子团簇尺寸对模量强化效应的影响、对驻留滑移带的形成、裂纹萌生及裂纹扩展的影响机理，开展疲劳裂纹尖端溶质原子团簇溶解热力学分析，揭示溶质原子团簇尺寸对Al-Cu-Mg合金疲劳性能的影响机理。所得结果如下：.1．2524合金在170℃下时效5min延长至8h时，由原子团簇模量强化引起的总临界切应力表现出轻微的波动，说明模量强化效应在硬化平台阶段几乎不变。而在第二硬化阶段，大尺寸原子团簇的有序强化效应比模量强化有更重大的贡献。.2. 170℃/1h和170℃/8h态合金的疲劳裂纹扩展速率低于170℃/0.5h态，这是因为前者不易溶解的大尺寸原子团簇（>50个原子）数量密度高于后者，从而降低了由团簇溶解导致的循环软化效应及增大疲劳裂纹扩展抗力。此外，170℃/8h态由于不可切粒子S'相的存在，导致其FCP抗力低于170℃/1h 态。.3. 在疲劳裂纹扩展近门槛区，随试样中原子团簇尺寸增大，疲劳裂纹扩展由T351态的绝大部分裂纹沿滑移带扩展，转变为170℃/0.5h态和170℃/1h态的非滑移带及粗糙断裂面的裂纹扩展；随着S'相的析出（170℃/8h态），阻止了位错往复滑移而形成塞积和应力集中，促成了裂纹重新沿滑移带的快速扩展。而在稳态扩展区，T351态和170℃/0.5h态裂纹沿滑移带扩展或交替扩展，表现出较高的裂纹扩展速率；在170℃/1h和170℃/8h状态试样，团簇尺寸的增大延缓了其在疲劳过程中的溶解和循环软化，限制了裂纹前端滑移带的形成，显著降低了裂纹扩展速率。.4. 170℃/1h态及170℃/8h态合金疲劳裂纹尖端塑性变形区的小尺寸Cu-Mg原子团簇高于原始态，而稍大尺寸Cu-Mg原子团簇（含>50个原子）的数量密度更低。这是因为疲劳裂纹尖端Cu-Mg原子团簇受到运动位错的反复切割，从而逐渐分解成为更小尺寸的原子团簇。.以上结果揭示了2524合金对应最佳疲劳抗力的原子团簇尺寸参量分布为：含20-50个原子的团簇数量密度为54.77×10^22/m^3，含50-100个原子的团簇为47.78×10^22/m^3，含100-200个原子的团簇为2.65×10^22/m^3，对应的最佳热处理工艺是170℃/1h。