中强耐损伤Al-Mg-Sc合金高温疲劳裂纹扩展机理研究

The research on the fatigue crack resistance of Al-Mg-Sc alloy stays at room temperature at present, while the ambient temperature can influence the fatigue properties of the alloys. This project aims to study the fatigue crack growth behavior of Al-Mg-Sc alloy at different loading temperatures, by investigating the influence of loading temperature on the fatigue crack growth rate, the number and size of strengthening phase, the grain size and morphology, and the dislocation density, analyze the deformation and fracture mechanism of the alloy at different temperatures, obtain the mechanism of strengthening phase on grain boundaries and dislocations and the influence of it on fatigue crack growth rate at high temperature. By analyzing the fatigue crack growth curve of the alloy and fitting the Paris factor and Paris index values of the alloy in the stable growth area, the fatigue crack growth life prediction model of Al-Mg-Sc alloy with temperature changes can be established based on the plastic passivation model of the crack tip. This project is an in-depth continuation of the applicant's previous research, and can provide a basis for the use of Al-Mg-Sc alloy as fatigue structural parts under high temperature, which has important theoretical and practical significance.

目前关于Al-Mg-Sc合金耐损伤性能的研究仅停留在室温状态下，并未考虑其作为疲劳结构件时可能受到的实际服役温度的影响。本项目拟通过对Al-Mg-Sc合金在不同加载温度下的疲劳裂纹扩展行为进行研究，探索合金疲劳裂纹扩展速率、强化相数量及尺寸、晶粒大小及形貌、位错密度等随温度的变化规律，结合合金的断口形貌特征，分析合金在不同温度下的变形及断裂机理；探明合金强化相在高温下与晶界、位错的交互作用机制，阐明强化相在高温下对合金抗疲劳裂纹扩展性能的影响机理；通过分析合金疲劳裂纹扩展曲线，拟合合金在稳态扩展区域的Paris因子和Paris指数值，并以裂纹尖端塑性钝化模型为基础，构建Al-Mg-Sc合金随温度变化的疲劳裂纹扩展寿命预测模型。本项目是申请人前期研究的深入和延续，能为Al-Mg-Sc合金作为疲劳结构件在高温下使用提供依据，具有重要的理论和实践意义。

本项目以新型Al-Mg-Sc合金为研究对象，利用万能试验机通过不同温度下的拉伸试验、高温下疲劳裂纹扩展试验研究了合金的力学性能及疲劳裂纹扩展行为；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等微观组织观察手段对合金的断口形貌特征，晶粒组织及合金强化相Al3(Sc1-x, Zrx)粒子在不同加载温度下的尺寸及分布规律进行分析，主要有以下的结论：.合金在高温拉伸过程中，随着拉伸试验温度的升高，由于热软化现象，抗拉强度和应变硬化指数（n）值降低；在低温拉伸过程中，随着试验温度的降低，合金的抗拉强度和屈服强度显著提高，同时在低温变形时合金的延伸率也大幅提高。.合金在不同温度下拉伸断口及晶粒组织变化结果表明，在高温拉伸时，断裂机理主要是穿晶断裂，而在低温拉伸时，会出现沿晶断裂特征；合金拉伸之后，晶粒的结构没有发生明显的变化，主要是由小角度晶界的亚结构组成。Al-Mg-Sc合金中的共格的Al3(Sc1-x, Zrx)颗粒可以产生弥散强化效果，阻碍位错运动，提升合金的强度。这些颗粒本身具有很高的热稳定性，但是在高温变形过程中，受到应力和温度的共同作用下，也有极少部分颗粒发生了粗化并丧失了与基体的共格特性。.合金在高温下疲劳裂纹扩展试验结果表明，Al-Mg-Sc合金的疲劳寿命随着试验温度的增加先增加后下降，在温度为150 ℃下合金的疲劳寿命达到峰值，为132367周次。在测试温度为50 ℃ ~ 200 ℃范围内，随着温度的升高，合金的疲劳裂纹扩展速率降低，但在温度达到250 ℃时，合金板材的疲劳裂纹扩展速率并没有减缓，反而稍有加快。.合金在不同温度下进行的疲劳裂纹扩展试验后，晶粒尺寸变化不大，在合金中还可以观察到高密度的位错和层错。即便是在较高温度下，这些具有L12结构的Al3(Sc1-x, Zrx)沉淀物依然都能保持较小的尺寸，钉扎位错与晶界，阻碍合金的再结晶，使得合金在高温下仍然具有出色的抗疲劳裂纹扩展特性。