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almgli合金性能
目录
1文献综述1
1.1Al-Li系合金简介1
1.2Al-Li合金发展历史1
1.3Al-Li合金发展的几个阶段2
1.4我国Al-Li合金的发展概况4
1.5Al-Li合金在航空方面的应用及发展趋势5
1.5.1航空应用5
1.5.2发展趋势8
1.5.3新型铝锂合金的研究热点8
1.6热处理状态对Al合金组织性能的影响9
1.6.1固溶处理对Al合金组织性能影响9
1.6.2固溶时效对Al合金组织性能的影响10
1.7铝锂合金的拉伸断裂机制10
2实验材料、设备及方法12
2.1实验材料12
2.2实验设备12
2.2.1金相显微镜12
2.2.2金相试样抛光机13
2.3实验方法14
2.3.1制备合金14
2.3.2母材显微组织观察15
2.3.3对试样以不同拉伸速率进行拉伸15
2.3.4测量硬度15
2.3.5显微组织观察15
2.3.6绘制拉伸曲线16
3实验结果及分析17
3.1热处理后合金原始组织17
3.2不同拉伸速率断口附近组织18
3.2.1拉伸速率为10-4/s断口附近组织18
3.2.2拉伸速率为10-3/s断口附近组织18
3.2.3拉伸速率为10-2/s断口附近组织19
3.2.4拉伸速率为10-1/s断口附近组织19
3.3拉伸速率对硬度的影响20
3.4不同拉伸速率真应力-真应变曲线20
3.4.1拉伸速率为10-1/s真应力-真应变曲线:
20
3.4.2拉伸速率为10-2/s真应力-真应变曲线21
3.4.3拉伸速率为10-3/s真应力-真应变曲线21
3.4.4拉伸速率为10-4/s真应力-真应变曲线22
3.4.5将4种速率下所得数据共同绘制真应力-真应变曲线22
3.4.6试样拉伸前后数据23
3.5观察曲线规律结合拉伸前后数据进行结果分析23
4技术经济分析24
5结论27
参考文献28
致谢30
1文献综述
1.1Al-Li系合金简介
铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。
锂是自然界最轻的金属,密度0.5349/cm3,熔点186℃。
研究表明,每添加1wt%Li于铝中,能降低合金密度3%,提高弹性模量6%。
把锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金,铝锂合金是指含锂量为1%~4%(质量百分比)的多元铝合金。
Al-Li系合金具有低密度、高弹性模量、高强度和优良的综合物理性能。
与普通铝合金相比,在强度相当的情况下,密度降低10%,弹性模量提高l0%,结构刚度提高15%~20%。
由此可知,铝锂合金作为一种极具有前途的航空航天结构材料将受到高度重视,许多国家在铝锂合金研究开发和应用中已取得极大的进展。
随着新型铝锂合金的不断出现和性能的不断提高,在现代先进航空航天飞行器上,铝锂合金的用量在逐渐提高,从而达到减轻飞行器结构重量的目的。
因此,Al-Li系合金用作结构材料,有很大技术经济意义,对航空航天工业有着巨大的吸引力,将取代现用的2000系和7000系铝合金,成为新一代航空航天材料,也可取代普通铝合金投入规模生产和应用,成为复合材料的竞争对手[15]。
1.2Al-Li合金发展历史
从上世纪20~60年代,德、美、英、苏等国都先后开始了Al—Li合金的研制。
早在1924年,德国研制出了添加少量Li的scleron合金(Al一1.2Zn一3Cu一0.6Mn一0.1Li)。
但是首次得到使用是1957年美国Alcoa公司研制成功的X2020合金,并引起了各国的关注。
1958年,美国将X2020合金用于海军RA一5Cvigitante飞机机翼蒙皮和水平安定面。
60年代初,美国、英国继续在军用飞机上对Al一Li合金进行试验心。
苏联在60年代也研制成功了成分和性能类似于X2020BAn230(1230)。
这类合金的断裂韧性低,疲劳裂纹扩展速度快,对缺口敏感,生产工艺难度大,因而使用有限。
Alcoa于1969年停止了X2020合金的生产。
X2020合金失败的另一个原因是技术先进性不够,Li的含量仅1%,体积质量下降(3%)和刚度提高(6%)的幅度有限,加之cu含量达4.5%,合金的体积质量仍然较高bJ。
60年代后期,苏联研制成功了以Al—Mg—Li系为基的1420合金,比2020合金体积质量更低而弹性模量更高。
同时1420合金具有优良的焊接性能,可采用氩弧焊、电子束焊、离子焊和电阻焊,省去连接紧固件和密封后的减重效益又增加12%,是目前应用最为成熟的Al—Li合金。
后在1420的基础上又进一步发展了1421、1423、1424等合金,强度明显改善,且抗腐蚀性更佳,焊接性更优H1。
1989年,前苏联又开始生产了1430、1440和1450AI—Li合金。
90年代,俄罗斯又开发出了新型高强可焊的A—Li合金1460。
目前俄罗斯已初步形成了一个包括可焊、中强、高强的Al—Li合金系列。
Al—Li合金成为罗斯最重要的航空航天的轻合金材料之一。
20世纪70年代爆发的能源危机给航空工业带来了巨大的压力,迫切要求飞机轻量化。
复合材料的兴起也给传统铝工业造成潜在的威胁,以及原苏联Al—K合金在军事飞机的成功应用都刺激了西方政府Al—Li合金在西方国家也进入了发展繁荣阶段。
在20世纪70年代至80年代后期,西方各国研制成功了低密度、中强耐损伤型和高强型等一系列较为成熟的Al—Li合金产品。
其中有:
美国Alton公司研制的2090、8090合金,英国Alcan公司的8090、8091和8092合金,法国Peehiney公司开发的2091、8090和cp276(2090)合金等。
这些合金具有密度低、弹性模量高等优点,其主要目标是直接代替航空航天飞行器中采用的传统Al合金2024、7075等。
进入90年代,各国开始开发出了一些具有特殊优势的Al—Li合金。
这合金包括:
美国Reynods公司和MartinMaritta公司合作的高强可焊合金Weldalite系列;美国空军wright材料实验室与Day—ton大学及Alcon公司共同开发的低各向异性的AF/C一489和AF/C458变形Al—Li合金;美国Reynods公司的高韧合金2097和2197;美国Alton公司的高抗疲劳裂纹合金c一155;DonaldWebste提出的经特殊真空处理的高韧性、高抗应力腐蚀Al—Li合金XT系列。
表1和表2分别列出了当前新型商业Al—Li合金的成分和性能[15]。
1.3Al-Li合金发展的几个阶段
随着断裂力学研究的进展.发现第一代铝锂合金产品的延展性低,缺口敏感性高,容易使结构产生应力集中而引起疲劳破坏,加之生产工艺困难,不能满足新航空设计标准的要求,因此并未得到进一步应用。
A1.coa公司于1969年停止了X2020合金的生产。
此后,铝锂合金在欧美等国进入了一个相对停止的时期。
繁荣阶段上世纪70年代末,铝锂合金的研究再度受到西方国家的重视,其原因有个方面:
一是石油危机冲击了航运界,为了减轻航空器重量以降低航运成本,对高强度、高弹性模量、低密度材料的需求更迫切;二是复合材料的发展开始对原有航空铝合金构成威胁.铝业公司急需推出高比刚、高比强的铝合金用于米格一25等自1924年第一个含Li的铝合金Scleron合(A1-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li)在德国诞生以来,各国的科学家相继研制出了一系列性能优良的AI-Li合金,美国和前苏联均在20世纪80年代末成功开发了A1—Li合金的完整体系。
Al—Li合金的发展。
军用型飞机。
铝锂合金也因此进入新的发展阶段,即第二阶段。
第二阶段称为繁荣阶段,该阶段跨度为20世纪70年代到80年代后期,目标是研制替代传统商用高强2000系和7000系铝合金的新Al—Li合金问。
上世纪80年代以来,由于航空航天技术对轻质结构材料的需要,美、欧等国投入大量财力.以板件、坯件、挤压件和锻件等形式开发了多种2XXX和8XXX铝锂合金,其中具有代表性的合金有:
前苏联研制成功的1420合金,美国Alcoa公司研制出的2090合金,英国Alcan公司的8090和8091合金,法国Pechinev公司开发的209l合金等。
其中1420合金是目前应用最为成熟的铝锂合金。
第二代典型铝锂合金成分和半成品典型性到目前经历了3个阶段。
第一个阶段是初步发展阶段,时间跨度为20世纪50年代至60年代初。
这一阶段的研究成果以1957年美国Alcoa公司研究成功的2020合金为代表。
第二个阶段是繁荣发展阶段,时间跨度为20世纪70年代至80年代后期。
在这一时期,对A1-Li合金进行了全面研究,AI-Li合金得到了迅猛发展。
研制成功了低密度型、中强耐损伤型和高强型等一系列较为成熟的A1-Li合金产品,如前苏联研制成功的1420合金、美国Alcoa公司研制出的2090合金、英国Alcan公司的8090和8091合金、法国Pechiney公司开发出的2091合金等,这些A1-Li合金都获得了一定的应用。
但人们发现第二代合金存在诸如各向异性、不可焊、塑韧性及强度水平较低等缺点。
进入90年代以后,人们针对A1-Li合金的上述问题,开发出了具有一定特殊优势的AH。
i合金。
A1-Li合金的发展也因此进入了第三个发展阶段。
目前,已开发出的新型A1-Li合金主要有高强可焊的1460和Weldalite系列合金,低各向异性的AF/C-489、AF/C-458合金,高韧的2097、2197合金,高抗疲劳裂纹的C-155合金,以及经特殊真空处理的XT系列合金等。
表1列出了各个时期主要的A1-Li合金的化学成分。
Weldalite-049型A1-Li合金,配合XD工艺和新颖的结构设计,可能将发射lkg有效载荷进入太空的成本由当时的6800美元减为660美元。
美国“发现号”航天飞机外储箱采用2195AI-Li合金取代2219合金,使航天飞机的运载能力提高了3.6t,相当于每千克有效载荷节约成本1764美元。
A1-Li合金是一种综合性能好、具有巨大开发潜力的轻质合金,用其取代普通Al合金可使构件的质量减轻而刚度提高,因此被认为是21世纪航空航天飞行器理想的结构材料,在舰船以及兵器工业中也具有很大的应用潜力。
AI-Li合金的材料制备和零件制造工艺都与普通铝合金无原则上的差别,可沿用普通铝合金的技术和设备;用A1-Li合金替代飞机上使用的传统铝合金,不需要对适航条例做大的修改;另外,A1-Li合金的成形、维修等都较复合材料方便,成本也远远低于复合材料。
从20世纪80年代起,Al—Li合金就已成为世界主要工业国家材料研究领域中的重点研究开发课题,我国从“七五”期间也开始将A1-Li合金的研究列入国家攻关计划,并取得了重大进展。
本文简单回顾了A1-Li合金的发展历程,概述了其制备方法、微合金化和焊接工艺方面的研究现状。
1Al—Li合金发展回顾自1924年第一个含Li的铝合金Scleron合金(A1-12Zn-3Cu-0.6Mn-0.1Li)在德国诞生以来,各国的科学家相继研制出了一系列性能优良的AI-Li合金,美国和前苏联均在20世纪80年代末成功开发了A1一Li“合金的完整体系”。
Al—Li合金的发展到目前经历了3个阶段。
第一个阶段是初步发展阶段,时间跨度为20世纪50年代至60年代初。
这一阶段的研究成果以1957年美国Alcoa公司研究成功的2020合金为代表。
第二个阶段是繁荣发展阶段,时间跨度为20世纪70年代至80年代后期。
在这一时期,对A1-Li合金进行了全面研究,AI-Li合金得到了迅猛发展。
研制成功了低密度型、中强耐损伤型和高强型等一系列较为成熟的A1-Li合金产品,如前苏联研制成功的1420合金、美国Alcoa公司研制出的2090合金、英国Alcan公司的8090和8091合金、法国Pechiney公司开发出的2091合金等,这些A1-Li合金都获得了一定的应用。
但人们发现第二代合金存在诸如各向异性、不可焊、塑韧性及强度水平较低等缺点。
进入90年代以后,人们针对A1-Li合金的上述问题,开发出了具有一定特殊优势的合金。
A1-Li合金的发展也因此进入了第三个发展阶段。
目前,已开发出的新型A1-Li合金主要有高强可焊的1460和Weldalite系列合金,低各向异性的AF/C-489、AF/C-458合金,高韧的2097、2197合金,高抗疲劳裂纹的C-155合金,以及经特殊真空处理的XT系列合金等。
表1列出了各个时期主要的A1-Li合金的化学成分。
1990年Westwood[朝曾预言,使用Weldalite-049型A1-Li合金,配合XD工艺和新颖的结构设计,可能将发射lkg有效载荷进入太空的成本由当时的6800美元减为660美元。
美国“发现号”航天飞机外储箱采用2195AI-Li合金取代2219合金,使航天飞机的运载能力提高了3.6t,相当于每千克有效载荷节约成本1764美元[15]。
1.4我国Al-Li合金的发展概况
国内铝锂合金的研究起步比较晚,于20世纪60年代初曾仿制过X2020试制出S141合金,但受当时条件的约束,直到1985年才进行技术鉴定。
从“七五”开始,我国的铝锂合金研究正式起步。
由国家立项,中南大学、东北大学、西南铝加工厂、航天703所等联合开展了仿2091中强铝锂合金的研究,并研制出中强铝锂合金(相当于2091),但水平相对较低。
“八五”期间,国家加大了对铝锂合金研究的投资力度,国内多所高校和研究院所大范围开展了铝锂合金研究,使我国铝锂合金的基础研究工作前进了一大步。
经过科研工作者的努力,上述单位开发研制了1420铝锂合金和2090铝锂合金,生产出了小规格板材、型材。
同时,由于国家投资力度加大,在西南铝加工厂建成了1吨级的铝锂合金半连续熔铸机组。
实现了国家“八五”期间制定的完成铝锂合金半连续铸造工艺研究,为我国铝锂合金工业化生产奠定技术基础的目标。
国家“九五”期间完成从俄罗斯引进6吨级铝锂合金工业化熔铸生产线,并根据我国航天型号的发展规划及运载火箭箭体结构的发展要求,提出了“高强铝锂合金研究”国家科技攻关任务。
该项目系瞄准美国航天飞机液氢/液氧贮箱材料WeldaliteTM049合金,于1996年12月通过可行性论证,1997年启动,其研制工作由西南铝业(集团)有限公司和中南大学承担[3]。
1999年10月至2000年5月,西南铝业(集团)有限公司分别在1吨和6吨半连续,熔铸机组上开展了从中试到工业规模的熔铸工艺实验。
经过反复摸索试制和攻关,最终在工艺上取得了突破性进展,试制出了2195合金Ф310mm~Ф450mm圆锭和300×1200mm扁锭,且铸锭的低倍、高倍组织检测和氢、钠主要杂质含量分析结果均满足技术要求。
紧接着又成功试制出了2195合金Ф360×15×1200mm的大规格薄壁挤压管材及2×700×800mm~5×700×800mm板材。
这表明我国已经具备了2195铝锂合金的大规模研制与开发能力,对满足我国航空、航天工业对先进结构材料的需求具有非常重要的意义。
我国铝锂合金研究开发的基地已基本建立,其规模和水平达到美、俄等国90年代初的水平[12]。
1.5Al-Li合金在航空方面的应用及发展趋势
1.5.1航空应用
Al-Li合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用或试用,主要用于机身框架、襟翼翼肋,垂直安定面、整流罩、进气道唇口、舱门、燃油箱等等。
早在20世纪50年代,美国就开发了x2020铝锂合金后来用来取代7075用于RA-SC预警机。
美国一公司将C-155铝锂合金用于波音777和空中客车A330/340飞机的垂尾和平尾,该合金比普通铝合金有更好的抗疲劳性能和高的强度。
其中A330/340飞机每架使用Al-Li合金650kg,可使飞机减重达4250kg,可以提高有效载荷及降低燃料消耗。
麦道公司的C-17运输机使用了铝锂合金板材和挤压型材制造货舱的地板梁、襟翼副翼蒙皮等结构,用量达2.8t,比用普通铝合金减重208kg,法国幻影式战斗机上也大量应用铝锂合金,其成本低于热固塑料和金属基复合材料。
在1988年的时候,洛克希德•马丁战术飞机系统公司、洛克希德•马丁航空系统公司和雷诺兹金属公司就开始AA2l97合金研制的联合计划,为军用歼击机隔板和舱壁生产重载厚板。
1996年6月,雷诺兹金属公司开始售出第一批AA2l97合金板材,用于取代其它材料制造美国空军F-16飞机的后部隔板(舱壁)和其它零件。
欧洲试验型战斗机EFA其前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成,占所有材料的9%,驾驶舱内使用了不少A1-Li合金,其中用A1-Li超塑成形工艺制造的电子设备室的盖板长达1.5m。
英、意合作生产的大型直升机EH101上,其机身框架、蒙皮和内部结构使用了相当多的A1-Li合金板材和锻件,每架质量减轻200kg。
而据估计,直升机在整个服役期间每减轻1kg增加经济效益高达3000英镑。
在航空铝锂合金的研究和应用方面,前苏联及俄罗斯也一直处于世界的领先地位,比较有代表性的有01420、01421(含钪)、01423(含钪)、01430、01440、01450等。
早在20世纪70年代,前苏联就将铝锂合金用于制造雅克-36飞机的主要构件,包括机身蒙皮、尾翼、翼肋等,该飞机在恶劣的海洋气候条件下使用,性能良好。
20世纪90年代初又在米格-29和米格-31飞机上采用1420合金焊接结构,使减重效果进一步提高。
米格-29使用了1420合金薄板、模锻件、挤压壁板等制造机身、驾驶员座舱、油箱等,每架飞机铝锂合金用量达3.8t。
采用焊接油箱后减重达24%,其中12%是由于材料比重的降低,12%是由于焊接结构减少了铆钉、螺钉、密封剂和搭接部分而达到的。
1420合金在其它飞机,如运输机、客机、直升机上用量也相当可观。
安-124用量近8t,图-204用量2.7t,米-26用量1.8t,还有伊尔-86、安-72等也都采用了A1-Li合金。
近年来,Al-Li合金也大量用在苏-27、苏-35、苏-37等战斗机上,以及远程导弹弹头壳体等[23]。
1420合金是俄国研究,使用成熟的一种铝锂合金,并得到世界上的承认;这种合金从七十年代开始就用于铆接的直升飞机和军舰上,八十年代以焊接代替铆接结构用于米格--29超音速战斗机焊接机身,油箱,座舱。
由于密度降低,减轻重量12%。
不用密封,铆钉,螺纹连接件减轻重量12%,共减轻重量24%。
1420合会属于中等强度,可焊的铝锂合金,为了提高合金的强度还研制了Al一Cu—Li系的1450和1460高强度铝锂合金;1450合金板材o。
达到580Mpa,o。
.:
达到490Mpa,延伸率6达到9%,用于取代B粥(7075合金)和1973合金,这种合金作为非焊接结构用于现代运输机挤压结构件的机身翼外形,肋,门和骨架等部位,与1973合金相比,重量减少12%一15%。
1460合金是在1450合金的基础上添加了0.20%的Sc元素,用于取代1201(2219)合金,俄国认为这种合金比美国的2090--T8E41合金热裂纹敏感性低,焊接接头强度高30--50Mpa,八十年代这种合金用于制造俄国大型运载火箭“能源号“的结构件上。
迄今为止,铝锂合金用于火箭,”暴风雪“号航天飞机,军用飞机米格--27、29、33,苏.27,安一70T,民用飞机图--204,144上。
1420合金是俄国铝锂合金的佼佼者,这种合金有足够高的强度,良好的塑性,耐腐蚀性等优点,又有使用了近30年的经验,尽管如此,它的疲劳性能差,强度还不够高,焊接时的气孔,特别是冷成型差。
因此从这种合金的发明至今,没有停止过研究,由于俄国对外开放又加上经济不景气的诸多因素,现在俄国走向与美国等国合作开展对类似1420合金成型性的研究[18]。
美国四十年代研制出2020合金,1958年生产了2020--651T合金,强度可与
7075合金相比拟,密度低4%左右,弹性模量增加7%,并无剥离和应力腐蚀裂纹,
该合金被用于海军RA--5C预警飞机主翼上、下表面和垂直尾翼上,使飞机减轻重
量6%,这种飞机生产了177架,服役近20年,在世界上开创了应用铝锂合金的先
例。
可是考虑到合金的K1c低和缺口敏感性高,不能与7475和2024合金相比,1969
年停止生产。
然而,一心想称霸世界的美国在科学研究上也不例外,眼看着前苏联铝锂合金材料发展取得的成就,欧洲英、法两国积极开展研究;为了适应航天工业迅速发展对材料的需求,又遇上七十年代一度汽油价格上涨的影响,美国凭借原有的铝锂合金研制基础和强大的科技、经济实力,七十年代再次丌展了铝锂合金的研制,八十年代达到了高潮。
在研制过程中美国很注重吸收俄国1420合金的成功经验,研究机构、大学、工厂和用户密切协作,NASA和下面的几个后建制造公司的承包商积极协调,召开研讨会,所以在八十至九十年代的10年问,先后研制出比俄国1420合金强度高的2090合金,905xL合金和超高强度Weldalite049合金。
在此期间美国的各个火箭制造公司极为重视铝锂合金的开发工作,将来铝锂合金与原来用的合金材料比较,进行验证性工作。
通用动力公司采用30根翼梁、3块搭接蒙皮和各种间框架的2090--T3合金,代替了2024--T3合金做宇宙神有效载荷舱的零件和装配件,重量减轻了8%;在全部设计尺寸不改变,制造工艺采用原有的设备,满足了全部的技术要求。
麦道公司在不改变设计尺寸时2090--T81代替2014一T6材料,制造了德尔它火箭低温贮箱试验件,焊接后结构重量减轻5%。
如果重新设计制造,重量可以进一步减轻到15%。
经过新设计的运载火箭,每运送lkg载荷到空间轨道的价格是原来的1/10~1/30t引。
欧洲的英、法、德、意、西班牙、荷兰等国都在开展铝锂合金的研究工作,但是他们缺乏俄国系统、成熟、大量使用的经验;又没有美国强大的经济实力和实干精神,只是谨慎、保守、观望美国行事,所发展步子慢,使用商主要以合作方式进行。
英国和意大利合作制造EHl01直升飞机,采用了8090合金板材、8090和舢一905XL模锻件,使飞机减轻重量200kg。
英国利用8090合金超塑性成型制造了EAP战斗机的起落架舱门,使战斗机减轻重量20%。
日本和韩国的铝锂合金尚处在研究之中,还没有实际应用[22]。
1.5.2发展趋势
美国在20世纪90年代开发的Weldalite-210型合金,它的拉伸强度超过了760Mpa,几乎是2219Al合金的2倍,屈服强度达到740Mpa,是目前所有Ai合金中强度最高的,并且有良好的断裂韧性。
近年美国研制成功的XT系列AL合金,具有良好的抗应力腐蚀破裂能力,在同样强度水平下,其韧性大大优于普通的AL-Li合金。
目前国外正在研制Li含量为3.5%-5%的超低密度AL-Li合金,与7xxx系合金相比,密度降低13%-17%,模量增加24%-30%,其他性能相当。
Cospary公司已生产出VL30和VL40合金,含Li量分别为3%和4%,其中VL40合金刚度比8090合金10%,有极好的抗腐蚀性[12]。
1.5.3新型铝锂合金的研究热点
铝锂合金作为一种新型轻质合金材料,由于具有优良的综合性能而在航空航天领域得到广泛的应用。
试验表明,铝中加入1%的锂,密度可降低3%,弹性模量提高6%;加入2%的锂,密度降低10%,弹性模量提高25%~35%。
,这是添加其他轻金属元素Be,Mg所不及的。
并且,铝锂合金具有高的比强度和比刚度、高弹性模量等特点,用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻lo%~20%,刚度提高15%~20%,因此把它用作结构材料,潜在经济效益极大,被认为是21世纪飞行器的主要结构材料。
但是铝锂合金在室温下的塑性较差,难以采用传统的冷成形工艺生产复杂零部件,给其应用带来一定的困难。
有研究表明,对于难成形轻质合金材料,如镁合金,其
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