李國(guó)愛 王儉堂 郝時(shí)嘉 陸政 高文理

摘 ? 要：利用疲勞試驗(yàn)機(jī)、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等設(shè)備研究了95 mm厚的Al-Cu-Li合金熱軋板材不同方向的組織特征、疲勞性能和斷裂機(jī)理. 結(jié)果表明：Al-Cu-Li合金熱軋厚板的力學(xué)性能和疲勞性能均存在各向異性. LT向（橫向）的力學(xué)性能和疲勞性能均優(yōu)于L向（縱向）和ST向（高向），L向（縱向）的力學(xué)性能較ST向更好，但疲勞性能較ST向更差. Al-Cu-Li合金厚板的疲勞裂紋源主要出現(xiàn)在試樣表面、近表面的夾雜物和晶界處. 裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，LT向裂紋擴(kuò)展路徑較L向更曲折，ST向具有典型的解理特征，瞬斷區(qū)形貌與靜態(tài)拉伸斷口相似. 晶界越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，LT向和ST向的未溶第二相能夠有效阻礙裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致其疲勞性能優(yōu)于L向.

關(guān)鍵詞：Al-Cu-Li合金;各向異性;疲勞性能;微觀組織

中圖分類號(hào)：TG146.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Fatigue Property and Fracture Mechanism

of Al-Cu-Li Alloy Rolled Thick Plate

LI Guoai1，2?，WANG Jiantang3，HAO Shijia1，LU Zheng1，2，GAO Wenli4

（1. AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China;

2. Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Applications，Beijing 100095，China;

3. Yantai Huaxin Group Co LTD，Yantai 265503，China;

4. College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract：In this paper， the microstructure characteristics， fatigue properties and fracture mechanism of 95 mm Al-Cu-Li alloy hot-rolled thick plates in different orientations were studied by fatigue testing machine， scanning electron microscope （SEM） and transmission electron microscope （TEM）. The results showed that the mechanical properties and fatigue properties of Al-Cu-Li alloy hot-rolled thick plate were both anisotropic. The mechanical properties of the L direction are better than those of the ST direction， but the fatigue properties are worse than those of the ST-direction. The fatigue crack sources of Al-Cu-Li alloy thick plates mainly appear on the surface of the sample， near the surface of the inclusions and grain boundaries. During the crack propagation process， the crack propagation path in the LT direction was more tortuous than that in the L direction， and the ST direction had a typical cleavage characteristic. The morphology of the instantaneous fracture zone was similar to that of the tensile fracture. The more grain boundaries， the greater the crack propagation resistance， and the undissolved second phase in the LT direction and ST direction can effectively hinder the crack propagation， resulting in better fatigue performance than that in the L direction.

Key words：Al-Cu-Li alloy;anisotropy;fatigue properties;microstructure

鋁鋰合金是一種具有高彈性模量、高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕及焊接性好等諸多優(yōu)點(diǎn)的輕質(zhì)鋁合金，若用其替代傳統(tǒng)的鋁合金構(gòu)件，可以在提高剛度的同時(shí)減輕構(gòu)件10%～20%的重量，因此被廣泛應(yīng)用于軍事和航空航天等領(lǐng)域[1-3]. 作為發(fā)展較為成熟的第三代Al-Cu-Li合金具有較好的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐損傷、耐腐蝕性能，已取代2124和7050等傳統(tǒng)鋁合金用于飛機(jī)的機(jī)翼縱梁、地板橫梁、座位導(dǎo)軌和機(jī)身隔框等[4]. 這些結(jié)構(gòu)件服役環(huán)境復(fù)雜（溫度變化、應(yīng)力變化等），承載作用要求材料需具備優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能[5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鋁鋰合金疲勞性能方面做了許多研究. 許羅鵬等人[6]研究了2198-T8鋁鋰合金的高周疲勞性能及其裂紋萌生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)的增殖、運(yùn)動(dòng)和塞積是2198-T8合金疲勞裂紋萌生的主要原因. Wu等人[7]研究了T87態(tài)的Al-Cu-Li厚板的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金的疲勞性能具有明顯的各向異性，主要表現(xiàn)為疲勞強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展速率和擴(kuò)展路徑的不同，與晶粒、晶界、析出相等有關(guān). 薛喜麗等人[8]研究了不同時(shí)效制度下2A97鋁鋰合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，發(fā)現(xiàn)時(shí)效制度通過(guò)改變合金晶粒內(nèi)的析出相及晶界的無(wú)沉淀析出帶從而影響合金的裂紋擴(kuò)展速率. 劉添樂(lè)等[9]對(duì)一種40 mm厚度的Al-Cu-Li厚板厚度方向組織及性能的不均勻性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)板材不同厚度位置處織構(gòu)組分和析出相的不均勻性導(dǎo)致板材表層和中心層力學(xué)性能的不同. Wu等人[10]對(duì)一種90 mm厚度的Al-Cu-Li合金板材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Al-Cu-Li厚板在厚度方向上組織的不均勻性導(dǎo)致了厚度方向上疲勞性能的不同.

目前，關(guān)于Al-Cu-Li合金厚板不同方向上的疲勞性能的研究并不多，而航空航天大型結(jié)構(gòu)件多用厚板制成. 鋁鋰合金厚板疲勞性能的各向異性限制了其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，因此研究Al-Cu-Li合金厚板疲勞性能的各向異性對(duì)飛機(jī)輕量化具有重要意義. 本文以95 mm厚的Al-Cu-Li合金板材為研究對(duì)象，通過(guò)疲勞試驗(yàn)、SEM、TEM等手段了解疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂機(jī)制，對(duì)比不同方向的疲勞斷口特性，探討Al-Cu-Li合金厚板不同方向的疲勞斷裂機(jī)理，以期促進(jìn)Al-Cu-Li合金在更多領(lǐng)域、更復(fù)雜服役環(huán)境下的應(yīng)用和發(fā)展.

1 ? 試 ? 驗(yàn)

1.1 ? 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為95 mm厚Al-Cu-Li合金軋制板材，熱處理方式為530 ℃下固溶處理4 h，水淬，5%的預(yù)變形，然后在160 ℃下時(shí)效處理32 h，最終得到T87狀態(tài)的Al-Cu-Li合金. 試驗(yàn)所用Al-Cu-Li合金實(shí)測(cè)成分如表1所示.

1.2 ? 試驗(yàn)方法

1.2.1 ? 疲勞壽命測(cè)試

疲勞試驗(yàn)選擇95 mm厚板的L向（縱向）、LT向（橫向）和ST向（高向），L向和LT向樣品的取樣位置為板的1/2厚度處，具體的方向及取樣位置示意圖如圖1所示. 本文中所使用的疲勞試樣規(guī)格尺寸依據(jù)GB/T 3075—2008設(shè)計(jì)，具體的試樣尺寸如圖2所示，其中ST向上的試樣取樣將試樣兩側(cè)的夾持端減小了3 mm. L向和ST向在常溫下進(jìn)行應(yīng)力比為0.1的疲勞試驗(yàn)，LT向在常溫和125 ℃下進(jìn)行應(yīng)力比為0.1的疲勞試驗(yàn)，其中125 ℃的高溫疲勞測(cè)試條件是通過(guò)疲勞試驗(yàn)機(jī)上的環(huán)境箱進(jìn)行控制的. 疲勞測(cè)試所用設(shè)備為MTS 810的液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為125 Hz，根據(jù)構(gòu)件實(shí)際的工作環(huán)境和工作載荷，選取350 MPa和230 MPa兩種不同的載荷對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)條件下做3次重復(fù)性試驗(yàn)，載荷測(cè)量誤差不大于±5%.

1.2.2 ? 拉伸性能試驗(yàn)

采用MTS 858型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)95 mm厚Al-Cu-Li合金板材L向、LT向和ST向的試樣進(jìn)行室溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速率為2.0 mm/min. 每個(gè)方向的取樣位置均在板材的1/2厚度處，每個(gè)方向測(cè)試3個(gè)試樣，取其平均值. 拉伸試驗(yàn)試樣規(guī)格尺寸依據(jù)GB/T 228.1—2010設(shè)計(jì)，具體的試樣尺寸如圖3所示.

1.2.3 ? 顯微組織及斷口形貌觀察

采用金相顯微鏡對(duì)試驗(yàn)所用Al-Cu-Li合金厚板不同方向的顯微組織進(jìn)行觀察分析. 金相試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨及機(jī)械拋光后，采用Keller試劑（2 mL HF+3 mL HCL+5 mL HNO3+90 mL H2O）對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕. 腐蝕時(shí)間控制在30～35 s，腐蝕完成后立即用清水沖洗，然后用酒精清洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干表面.

取疲勞試樣斷口附近5～10 mm高的柱狀樣品，用砂紙把底部磨平，用超聲波清洗斷口試樣，用S4800型掃描電子顯微鏡對(duì)樣品疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察. 采用JEM-3010型高分辨透射電子顯微鏡在加速電壓200 kV下對(duì)合金析出相的種類、形貌和分布等進(jìn)行觀察. 采用機(jī)械減薄和雙噴減薄制備TEM試樣，雙噴減薄采用Struers LectroPol-5型雙噴減薄儀，電壓15 V，電解液是體積分?jǐn)?shù)為30%硝酸和體積分?jǐn)?shù)為70%的甲醇混合溶液，溫度控制在-20 ℃以下.

2 ? 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ? 不同方向的微觀組織和拉伸性能分析

表2為T87態(tài)的Al-Cu-Li合金厚板L、LT和ST向的室溫拉伸性能. 由表2可知，同一厚度不同方向合金的拉伸性能存在明顯的各向異性. 其中L向試樣的延伸率最高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也較高;LT向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高，延伸率較L向有所下降;ST方向的延伸率僅3.5%，較L向下降了68.5%.

T87態(tài)的Al-Cu-Li合金不同方向的金相組織如圖4所示. 對(duì)比不同方向的金相圖發(fā)現(xiàn)，合金晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，為普遍流線變形組織，晶?？臻g形貌為薄餅狀，晶界平行于軋向. 合金在L向和LT向的晶粒大小差別不大，均為條狀變形組織. 而ST向的金相組織呈薄餅狀，且存在一定的亞晶結(jié)構(gòu)，在相同的距離內(nèi)，ST向包含更多的晶界.

2.2 ? 室溫下不同方向的疲勞壽命及疲勞斷口分析

表3為2297-T87 Al-Cu-Li合金厚板不同取樣方向室溫下的疲勞壽命. 由表3可知，在高載荷350 MPa下，ST向疲勞壽命最高，LT向疲勞壽命與ST向相近，而L向的疲勞壽命最低. 在低載荷230 MPa下，LT向的疲勞壽命最高，ST向和L向的疲勞壽命相近.

圖5為T87態(tài)Al-Cu-Li合金L向試樣在載荷分別為350 MPa和230 MPa時(shí)室溫下的疲勞斷口形貌圖. 疲勞斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個(gè)區(qū)域[11]. 圖5（a）和5（b）分別為350 MPa和230 MPa下L向試樣疲勞斷口的疲勞源區(qū)，350 MPa下的裂紋源位于試樣表層夾雜物處，230 MPa下的裂紋源位于材料內(nèi)部，均呈放射狀向四周擴(kuò)展. 疲勞裂紋形成之后，在循環(huán)應(yīng)力的持續(xù)作用下發(fā)生擴(kuò)展，裂紋不斷擴(kuò)展，如圖5（c）和5（d）所示. 隨著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，試樣的有效截面逐漸減小，最后快速失穩(wěn)形成瞬斷區(qū). 高載下瞬斷區(qū)可以觀察到明顯的撕裂棱，分層特征較明顯，屬于沿晶分層斷裂（圖5（e））. 而低載下瞬斷區(qū)分層特征較弱，如圖5（f）所示，屬于有一定塑性的斷裂.

Al-Cu-Li合金LT向試樣在載荷分別為350 MPa和230 MPa時(shí)室溫下的疲勞斷口形貌如圖6所示. 高載和低載下的疲勞源均出現(xiàn)在靠近試樣表面，并且低載下具有多處疲勞源（如圖6（a）和（b）所示）. 在斷口上能觀察到從試樣表面的裂紋源區(qū)向內(nèi)部發(fā)散的撕裂棱. 裂紋擴(kuò)展早期路徑曲折，出現(xiàn)了多個(gè)與主裂紋擴(kuò)展方向呈一定角度河流狀的二次裂紋. 隨即裂紋進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)（如圖6（c）和（d）所示），對(duì)比不同載荷下疲勞條帶的間距可以看出，應(yīng)力幅值大的間距較大. 因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展速率隨著應(yīng)力水平的提高而加快[12]. 瞬斷區(qū)由裂紋失穩(wěn)快速斷裂形成，斷口中出現(xiàn)了明顯的分層特征和韌性脊，且都具有方向性，在韌性脊上可以觀察到韌窩，屬于典型的以塑性斷裂為主的沿晶分層斷裂（如圖6（e）和（f）所示）.

圖7為Al-Cu-Li合金ST方向試樣的疲勞斷口形貌. ST向試樣在高載和低載下的裂紋萌生都在試樣內(nèi)部，裂紋萌生后向四周擴(kuò)展（如圖7（a）和（b）所示）. 由擴(kuò)展區(qū)形貌可以看出，疲勞斷口上產(chǎn)生的是解理性疲勞裂紋. 裂紋擴(kuò)展不是由于塑性變形，而主要是由于解理開裂，在裂紋擴(kuò)展由一個(gè)平面轉(zhuǎn)移至另一個(gè)平面，所以斷口上有細(xì)小的晶面（如圖7（c）和（d）所示）. 解理平面形成方向一般與裂紋擴(kuò)展方向一致而與疲勞裂紋垂直. 瞬斷區(qū)的斷口較平整，并未觀察到明顯的韌窩，屬于以脆性斷裂為主的穿晶斷裂（如圖7（e）和（f）所示）.

L向、LT向和ST向的疲勞裂紋源均出現(xiàn)在試樣表面或近表面處，這是由于試樣在加工處理過(guò)程中表面會(huì)出現(xiàn)粗糙度不均勻、缺口等缺陷，當(dāng)加載外力時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋優(yōu)先在材料表面處萌生. 在近表面處若存在夾雜的脆性相，在循環(huán)載荷下易形成微裂紋，對(duì)于自身不易開裂的析出相，位錯(cuò)以繞過(guò)機(jī)制為主. 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，塞積在這些粒子周圍，位錯(cuò)沖擊界面導(dǎo)致界面開裂. 在高應(yīng)力水平下，運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量更多，使表面晶粒的位向關(guān)系反復(fù)變化，另外一部分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界處受到晶界的阻礙作用，產(chǎn)生位錯(cuò)纏結(jié)，對(duì)晶界造成滑移沖擊，滑移沖擊造成塑性不兼容和應(yīng)力集中導(dǎo)致晶界裂紋萌生[13]. 裂紋進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段后，在L向和LT向的試樣斷口中均出現(xiàn)了明顯的晶體學(xué)特征和二次裂紋. Zhai等人[14]指出，沿著具有最小晶界阻力的滑移面出現(xiàn)裂紋，即有利滑移面擴(kuò)展. 當(dāng)裂紋從一個(gè)晶粒的有利滑移面進(jìn)入另一個(gè)晶粒的有利滑移面，這兩個(gè)晶粒的有利滑移面存在位向差時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生偏折，偏折角度等于兩個(gè)滑移面的夾角.

由文獻(xiàn)[15]可知，T1相是本試驗(yàn)合金的主要強(qiáng)化相，強(qiáng)化機(jī)制以位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制為主. 在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到T1相時(shí)，必須繞過(guò)T1相，導(dǎo)致大量位錯(cuò)纏結(jié)在此處，形成利于疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的應(yīng)力集中區(qū)域. L向晶粒內(nèi)的T1相數(shù)量多于ST向，且95 mm厚熱軋板材的晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，空間呈薄餅狀，在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，ST向遇到的晶界數(shù)量多于L向，裂紋更容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋擴(kuò)展路徑更長(zhǎng)[14]，這就導(dǎo)致L向的拉伸力學(xué)性能雖優(yōu)于ST向，但疲勞性能不如ST向. 本試驗(yàn)合金中的另一種強(qiáng)化相θ′相與基體存在共格與不共格兩種關(guān)系，當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到與基體共格的θ′相時(shí)，θ′相可被位錯(cuò)反復(fù)切割，形成駐留滑移帶[16]，這時(shí)裂紋優(yōu)先沿駐留滑移帶擴(kuò)展，造成晶內(nèi)擴(kuò)展路徑曲折化. 因此，擴(kuò)展區(qū)斷口在宏觀上變?yōu)榫哂泻恿鳡罨y和結(jié)晶學(xué)小平面. 相較于L方向，LT方向裂紋擴(kuò)展路徑更加曲折，這與兩個(gè)方向的晶粒形態(tài)有關(guān). L方向晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)，裂紋在被拉長(zhǎng)的晶粒內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，晶界對(duì)裂紋的阻礙作用較小，更多的是來(lái)自駐留滑移帶的影響. 在LT方向，裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)受到更多晶界的阻礙作用，沿晶界形成二次裂紋，與主裂紋呈一定角度，形成解理臺(tái)階和更曲折的裂紋擴(kuò)展路徑.

2.3 ? 125 ℃下LT向的疲勞性能和疲勞斷口分析

圖8為Al-Cu-Li合金LT方向在125 ℃下的疲勞斷口形貌. 高載荷下疲勞源出現(xiàn)在試樣表面，且試樣表面存在多裂紋源，裂紋擴(kuò)展方向近乎垂直，當(dāng)相互垂直的裂紋交匯時(shí)，形成了大量二次裂紋和韌性凸起（圖8（a））. 低載荷下，裂紋擴(kuò)展路徑較為平直（圖8（b））. 之后裂紋進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，疲勞裂紋是雙滑移引起裂紋尖端發(fā)生了塑性鈍化的結(jié)果，并伴有明顯的二次裂紋（圖8（c））. 低載下的擴(kuò)展區(qū)并未觀察到明顯的疲勞條帶（圖8（d））. 隨著疲勞裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，試樣橫截面逐漸減小，裂紋失穩(wěn)，試樣快速斷裂，該區(qū)域與靜態(tài)拉伸斷口特征一致，在高、低載荷下的瞬斷區(qū)都具有明顯的分層特征（圖8（e）和（f））.

由表4可知，在載荷為350 MPa的疲勞試驗(yàn)中，125 ℃下的循環(huán)周次相較于室溫下降并不明顯，而在載荷為230 MPa時(shí)，其循環(huán)周次下降較為明顯;在相同的試驗(yàn)溫度下，室溫時(shí)高載疲勞循環(huán)周次比低載降低99.1%，125 ℃時(shí)下降93.6%，下降幅度減小. 這說(shuō)明，在高載荷時(shí)，疲勞性能對(duì)溫度的敏感性較低;而在低載荷時(shí)，溫度對(duì)疲勞性能的影響大大增強(qiáng).

2.4 ? LT向疲勞試樣在室溫和125 ℃下的顯微組織

圖9為Al-Cu-Li合金LT向350 MPa載荷下室溫和125 ℃的TEM顯微組織. 由圖9可見，沿<100>方向主要以短棒狀θ′相（Al2Cu）為主，沿<112>方向析出相主要以板條狀的T1相（Al2CuLi）為主[17-18]，125 ℃下疲勞斷裂后組織中的析出相仍以T1相和θ′相為主，但析出相數(shù)量減少，且發(fā)生了一定程度的粗化.

疲勞斷裂是在周期載荷的作用下，材料從發(fā)生局部應(yīng)變到造成局部損傷，最終局部開裂的過(guò)程. 由于高溫時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力的增強(qiáng)和可開動(dòng)滑移系數(shù)量的增多，使得這一過(guò)程更容易發(fā)生，即更有利于裂紋的萌生. 裂紋在晶內(nèi)擴(kuò)展時(shí)沿有利滑移面進(jìn)行，若與相鄰晶粒的有利滑移面位向差較小，則裂紋擴(kuò)展到相鄰晶粒的阻力就較小;若與相鄰晶粒的有利滑移面位相差較大，則裂紋擴(kuò)展到相鄰晶粒會(huì)發(fā)生較大程度的偏折，裂紋擴(kuò)展阻力也較大，裂紋會(huì)轉(zhuǎn)而沿著晶界擴(kuò)展或終止在晶界處. 溫度升高，材料的變形能力增強(qiáng)，晶界的可動(dòng)性增強(qiáng)，能夠有效松弛晶界處因位錯(cuò)塞積導(dǎo)致的應(yīng)力集中[12]，降低裂紋沿晶界擴(kuò)展傾向.

本試驗(yàn)中合金的主要強(qiáng)化相為T1相和θ′相，T1相的強(qiáng)化機(jī)制為位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制，θ′相為位錯(cuò)切割機(jī)制. 但位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到與基體不共格的T1附近時(shí)，受到釘扎作用而塞積在該處，引起應(yīng)力集中，加速裂紋擴(kuò)展;T1相可以抑制共面滑移，循環(huán)加載過(guò)程中的滑移可逆性降低，裂紋尖端的應(yīng)力集中程度提高，加速裂紋擴(kuò)展. 循環(huán)加載過(guò)程中，位錯(cuò)反復(fù)切割θ′相，誘發(fā)θ′相的無(wú)序化，消除了有序強(qiáng)化效果[19]，出現(xiàn)局部循環(huán)軟化和局部應(yīng)力集中，加速裂紋擴(kuò)展. 當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)促進(jìn)T1相和θ′相對(duì)裂紋擴(kuò)展的加速作用，使裂紋擴(kuò)展速率更快，擴(kuò)展路徑更短，材料疲勞性能降低.

3 ? 結(jié) ? 論

本文研究了95 mm厚Al-Cu-Li合金板材室溫時(shí)L向、LT向和ST向的疲勞性能以及125 ℃時(shí)LT向的高溫疲勞性能. 對(duì)比分析了不同方向之間裂紋萌生、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的區(qū)別與聯(lián)系，得出以下結(jié)論：

1）95 mm厚Al-Cu-Li合金板材的疲勞性能和力學(xué)性能都存在各向異性. 力學(xué)性能的規(guī)律為：LT方向強(qiáng)度最高，L方向次之，ST方向強(qiáng)度最低;疲勞性能規(guī)律為：LT向最好，ST向次之，L向最低.

2）Al-Cu-Li合金厚板的疲勞裂紋源主要出現(xiàn)在試樣表面、近表面的夾雜物和晶界處;裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，LT向裂紋擴(kuò)展路徑較L向更曲折，ST向具有典型的解理特征;瞬斷區(qū)形貌與靜態(tài)拉伸斷口相似，L向、LT向?qū)儆谝运苄匝鼐嗔褳橹?，ST向以脆性斷裂為主.

3）Al-Cu-Li合金的疲勞性能受到力學(xué)性能、晶粒尺寸、晶界和析出相的影響. 晶界越多，裂紋擴(kuò)展阻力越大，且LT向和ST向未溶第二相能夠有效阻礙裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致其疲勞性能優(yōu)于L向;與基體非共格的T1相能夠抑制共面滑移和引起應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展.

4）隨著應(yīng)力水平提高，Al-Cu-Li合金的疲勞循環(huán)周次顯著降低;溫度升高也會(huì)使循環(huán)周次顯著降低. 相同溫度、相同載荷強(qiáng)度時(shí)，其疲勞性能隨方向具有明顯差異，LT向疲勞性能最好，ST向次之，L向最差.

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-03-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（41422060204），Equipment Pre-research Project of China（41422060204）

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)愛（1978—），男，河北唐山人，北京航空材料研究院高級(jí)工程師，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：liguoai_1@163.com