2E12和2524铝合金微观组织与疲劳裂纹扩展速率研究-2011.11.18略读

表 1 2E12-T3 与 2524-T3 合金化学成分（ %，质量分数） Table 1 Chemical composition of 2E12-T3 and 2524-T3
aluminum alloy（ %，mass fraction）
Materials Cu Mg Mn Ti Zn Fe Si Cr 2524-T3 3． 76 1． 10 0． 49 0． 026 0． 072 0． 084 ＜ 0． 05 ＜ 0． 01 2E12-T3 3． 87 1． 23 0． 47 0． 020 0． 052 0． 048 ＜ 0． 05 ＜ 0． 01
国外关于 2524 合金研究的报道较少［6，7］，国 内关于 2E12 合金的研究还处于研制开发阶段，近 年来报道了一些关于该合金不同条件下微观组织 和疲劳 性 能 的 研 究 工 作［8 ～ 10］，然 而 目 前 国 产 的 2E12-T3 铝合金的疲劳裂纹扩展性能较差，无法投 入实际使用。基于这一背景，本文通过对比研究了 国产 2E12-T3 与进口 2524-T3 铝合金薄板的力学 性能、OM、SEM、TEM、疲劳裂纹扩展性能和断口 形貌特征等，以 探 索 显 微 组 织 对 该 合 金 疲 劳 裂 纹 扩展性能的影响状况［11 ～ 13］。
图 2 给出了国产 2E12-T3 与进口 2524-T3 合 金的扫描电镜照片。由图 2（ a） ，（ b） 图可以看出两 者基体内均 分 布 有 少 量 未 溶 的 粗 大 第 二 相，尺 寸 大约在 1 ～ 20 μm 左右，分布在晶内各处，也有少 部分 在 晶 界 上 存 在，结 合 图 1 金 相 组 织 可 知， 2E12-T3 与 2524-T3 合金基体内的粗大残留相没有 明显的差别。
摘要： 采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜以及疲劳性能测试等手段，研究了国产 2E12-T3 和进口 2524-T3 合金薄板微观组织和疲劳裂纹 扩展性能。结果表明，国产 2E12-T3 与进口 2524-T3 合金化学成分相近，在显微组织方面，2E12-T3 合金晶粒相对于进口 2524-T3 合金的纤维 状晶粒组织明显细小、均匀，发生了更大程度的再结晶，两者基体内均分布有少量粗大 Al2 CuMg 相和富 Fe 相，2E12-T3 晶内存在略多的中等 尺寸 Al20 Cu2 Mn3 棒状粒子； 在力学性能方面，国产 2E12-T3 合金抗拉强度、屈服强度和疲劳裂纹扩展速率都明显高于进口 2524-T3 铝合金，疲 劳断口皆呈典型 3 个区域，裂纹萌生区，前者较平坦而后者相对粗糙，裂纹扩展区皆有明显的疲劳辉纹，辉纹间距分别为 0． 65 和 0． 35 μm，瞬 断区，后者具有数量更多、尺寸更小的韧窝。着眼于材料的组织特征，导致 2E12-T3 和 2524-T3 铝合金力学性能差异的主要原因可能是由于 两者的晶粒组织特征不同。
1实验
1． 1 材 料 实验材料为自行研制的 2． 5 mm 国产 2E12-T3
薄板和 1． 6 mm 进口 2524-T3 铝板。对以上材料进 行化学分析，结果见表 1。由表 1 可知，国产 2E12T3 合金板与进口 2524-T3 合金成分较为接近。 1． 2 方 法
室温拉伸性能测试分别沿板材纵向（ L） 和横向
2X24 系列铝合金具有高强、高韧、低密度、 耐疲劳损伤 等 良 好 的 综 合 性 能，长 期 以 来 被 广 泛 应用于航空、航天及民用工业等领域，典型合金有 2024-T3，2124-T3 等［1，2］。随着航空事业的快速发
展，人们对于 飞 机 安 全 性 能 及 寿 命 提 出 更 高 的 要 求。1995 年，美国 Alcoa 公司通过降低 Fe，Si 杂质 以及适当调整 Cu，Mg 主合金元素的含量，开发出 了 2524 高纯铝合金，2524 合金在保证合金强度和
Abstract： The microstructures and cyclic fatigue crack growth rate of domestic 2E12-T3 and imported 2524-T3 alloy were evaluated
by OM，SEM，EDS and cyclic fatigue tests． Experimental results showed that the chemical constitution of domestic 2E12-T3 and imported 2524-T3 was nearly the same． In the microstructure，grain size of 2E12-T3 alloy were apparently smaller than that of 2524-T3， which had fibrous microstructure，as the alloy was more seriously recrystallized，both of them were distributed with a little Al2 CuMg and iron-rich phase in the matrix，while slightly more middle-size Al20 Cu2 Mn3 club-shaped particles were observed in 2E12-T3． As to the mechanical properties，2E12-T3 alloy significantly had higher tensile strength，yield strength，fatigue crack growth rate than the imported 2524-T3，and the fracture was featured with three typical regions，at crack initiation area，the former was flat and the latter was relatively rough，obvious fatigue striations were observed at crack propagation area，interval of which were respectively 0． 65 and 0． 35 μm，at the transient break area，the latter had more and smaller dimples． The main cause of performance differences between 2E12-T3 and 2524-T3 alloys might be due to the different grains organizational characteristics． Key words： 2E12 and 2524 Alloy； microstructure； fatigue crack growth rate
（ LT） 取样，然后按照 GB / T 228-2009《金属室温拉 伸试验》，在 AG-501CNE 电子拉伸试验机上进行 实验，取 3 个平行试样的平均值。疲劳裂纹扩展速 率测定采用中心穿透裂纹（ CCT） 试样，按照 GB / T 6398 -2000《金属 材 料 疲 劳 裂 纹 扩 展 速 率 试 验 方 案 法》，在 MTS810-100KN 电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机 进 行。实验采 用 应 力 控 制，正 弦 波 加 载，频 率 为 6 Hz，应力比 R = 0． 1，实验条件为室温、空气环境， 结果 取 3 个 平 行 试 样 的 拟 合 值。试 样 按 照 GB / T3075-1982 进行加工，尺寸为 60 mm × 240 mm， 开口方向为 T-L 向，切口长度 a = 5． 0 mm。
第 35 卷 第 4 期 Vol. 35 No. 4
稀有金属
CHINESE JOURNAL OF RARE METALS
2011 年 7 月 Jul． 2011
2E12 和 2524 铝合金微观组织与疲劳裂纹扩展速率研究
葛荣山，张永安* ，李志辉，王 锋，朱宝宏，熊柏青
（ 北京有色金属研究总院有色金属材料制备与加工国家重点实验室，北京 100088）
4期
葛荣山等 2E12 和 2524 铝合金微观组织与疲劳裂纹扩展速率研究
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其它性能与 2024 合金相当的同时，具有优良的疲 劳性能，使该 合 金 成 为 一 种 真 正 的 耐 损 伤 容 限 合 金，并成功应用于最新的 Boeing 777，Airbus 380 等大型民用客机［3 ～ 5］。2E12 铝合金是我国在 2524 基础上进一步控制 Fe，Si 杂质含量研制而出，具 有优良室温强度、断裂韧性及抗疲劳性能，并已成 功应用于国家自主知识产权的 ARJ-21 新支线飞机 的机翼下壁板。
金相组织观察在 Axiocert 200 MAT 型显微镜 上进行，利用 HITACHI-S4800 型扫描电镜进行微 观组织、疲劳 断 口 形 貌 观 察 及 第 二 相 粒 子 能 谱 分 析，TEM 组织在 JEM-2010FX 型电镜上进行。
2 结果与讨论
2． 1 金相组织 图 1 给出了国产 2E12-T3 与进口 2524-T3 合
收稿日期： 2010 － 11 － 30； 修订日期： 2011 － 02 － 20 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 51004018） 资助 作者简介： 葛荣山 （ 1986 － ） ，男，安徽六安人，硕士研究生； 研究方向： 铝合金 * 通讯联系人（ E － mail： zhangyongan@ grinm． com）
关键词： 2E12 和 2524 合金； 微观组织； 疲劳裂纹扩展速率 doi： 10． 3969 / j． issn． 0258 － 7076． 2011． 04． 021 中图分类号： TG146． 23 文献标识码： A 文章编号： 0258 － 7076（2011）04 － 0600 － 07
Fatigue Crack Growth Rate and Microstructures of 2E12 and 2524 Alloy
Ge Rongshan，Zhang Yongan* ，Li Zhiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱui，Wang Feng，Zhu Baohong，Xiong Baiqing
（ State Key Laboratory of Non-Ferrous Metals and Processes，General Research Institute for Non-Ferrous Metals，Beijing 100088，China）
金立体金相图。
图 1 2E12-T3 与 2524-T3 合金立体金相图 Fig． 1 Three-dimensional metallographic of 2E12-T3 and 2524-T3
（ a） 2E12-T3； （ b） 2524-T3
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稀有金属
35 卷
由图 1（ a） 可以观察到，国产 2E12-T3 合金晶粒细 小、均匀，尺寸约为 20 ～ 50 μm，晶粒沿轧向的取 向性已基本消失，发生了完全再结晶，沿轧制方向 有少量残留的第二相粒子分布。由图 1（ b） 可以观 察到进口 2524-T3 合金晶粒沿轧制方向呈典型纤 维状组织结构，尺寸约为 200 ～ 300 μm，发生了部 分再结晶，沿轧向也分布少量残留的第二相粒子。 通过比较可知，国产 2E12-T3 与进口 2524-T3 合金 的晶粒大小 与 形 态 具 有 明 显 的 差 异，主 要 是 由 于 国产 2E12 铝合金轧制变形过程中产生的形变储能 没有得到很好的释放，在随后的等温保持过程中， 以变形储能为驱动力发生了更大程度的再结晶。 2． 2 SEM 组织分析