文章编号：1004-0609(2010)05-0827-06

微量Sc和Zr对2524SZ合金薄板疲劳裂纹扩展特性的影响

郭加林¹，尹志民¹，王  华¹，何振波^{1, 2}，商宝川¹

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙410083；

2. 东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060)

摘  要：采用拉伸和疲劳力学性能测试、金相和透射电子显微分析，研究2524和用微量Sc和Zr合金化的2524SZ合金T3态薄板的组织和性能，考察微量Sc和Zr合金化对2524SZ合金T3态薄板疲劳裂纹扩展特性的影响。结果表明：微量Sc和Zr在2524SZ合金中主要以次生的Al₃(Sc, Zr)粒子形式存在，这种粒子与基体共格，固溶处理过程中能部分抑制合金的再结晶，基体晶粒组织主要由细小的亚晶组成；在相近的应力强度因子ΔK条件下，2524和2524SZ合金T3态薄板的疲劳裂纹扩展速率分别为4.50和2.35 μm/ cycle，表明添加微量Sc和Zr能显著降低 2524SZ合金抵抗疲劳裂纹扩展速率；亚晶强化和Al₃(Sc, Zr)相析出强化是微量Sc和Zr使2524SZ合金疲劳裂纹扩展速率降低的主要原因。

关键词：2524SZ合金；Sc；Zr；亚晶；Al₃(Sc, Zr)析出相；疲劳裂纹；扩展特性

中图分类号：TG146.2　     文献标志码：A

Effects of minor Sc and Zr on fatigue crack development characteristics of 2524SZ alloy sheet

GUO Jia-lin¹, YIN Zhi-min¹, WANG Hua¹, HE Zhen-bo^{1, 2}, SHANG Bao-chuan¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Northeast Light Alloy Co. Ltd, Harbin 150060, China)

Abstract: The microstructures and properties of 2524-T3 alloy sheet and 2524SZ-T3 alloy sheet with minor Sc and Zr, were investigated by tensile test, OM and TEM analysis. The effects of minor Sc and Zr on the fatigue crack development characteristics of 2524SZ alloy sheet were studied. The results show that in 2524SZ aluminum alloy, minor Sc and Zr exist as secondary Al₃(Sc, Zr) precipitates，which can partly prohibit recrystallization, and the matrix mainly consists of subgrain. At the similar ΔK value, the fatigue crack propagation rates of 2524 and 2524SZ alloy sheets are 4.50 and 2.35 μm/cycle, respectively, showing that minor Sc and Zr can obviously decrease the fatigue crack propagation velocity. Subgrain structure and Al₃(Sc, Zr) precipitates are responsible for the decrease of the fatigue crack propagation velocity of 2524SZ alloy.

Key words: 2524SZ alloy; scandium; zirconium; subgrain structure; Al₃(Sc, Zr) precipitate; fatigue crack; propagation characteristics

2524合金是继2024合金和2124合金之后开发出来的综合性能较好的高强高韧高损伤容限的Al-Cu-Mg系合金^[1-2]，其中2524-T3态铝合金薄板主要用作飞机的蒙皮。国外2524铝合金的研究开发比较成熟^[3-5]，并已成功应用于波音777飞机和A380大型客机上^[6]，而国内还处于研制和试用阶段^[7-9]。为了进一步提高2524合金薄板的疲劳强度和降低疲劳裂纹扩展速率，近年来国外科研人员采用微合金化方法对2524合金进行改性^[10-12]，TACK等^[10] 比较研究了微量Sc、Zr+Li、Mn+Zr、Sc+Zr等对Al-Cu-Mg系2X24合金组织和性能的影响，认为在他们的专利指定的成分和加工热处理条件下，添加微量Sc+Zr可以使得合金板材获得非再结晶组织而不会形成有害的W(AlCuSc)相，与此同时合金板材抗疲劳性能显著改善。WARNER^[12]比较了Mn、Zr、Zr+Sc对2X24合金组织和性能的影响，指出复合添加微量Sc+Zr可以使得合金板材的抗拉强度、屈服强度和断裂韧性得到同步提高。但是上述专利对于合金的制备没有具体的描述，微合金化对这种合金疲劳裂纹扩展特性的影响也鲜见报道。尹志民等^[13]研制成功了用微量钪和锆合金化的2524铝合金薄板(简称2524SZ合金)。本文作者侧重研究2524和2524SZ两种合金T3态的薄板疲劳裂纹扩展特性，探讨2524SZ铝合金薄板疲劳裂纹扩展与微观组织结构的关系，旨在探索进一步提高航空用2524合金薄板的抗疲劳特性的途径。

1  实验

1.1  材料制备

采用半连续铸造方法制备出合金锭，铸锭经均匀化处理、热轧、冷轧成厚度为2. 14 mm薄板。薄板经498 ℃盐浴固溶水淬后，再压光矫直至2.0 mm，之后进行96 h以上的自然时效(即T3态处理)。合金化学成分见表1，考虑到Cu含量(质量分数)超过4%时，合金中可能形成有害的铜钪化合物^[14]，因此，合金设计时将合金中的铜含量控制在4%以下。

表1  研究合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of alloys (mass fraction, %)

1.2  力学性能测试与显微组织观察

拉伸力学性能试验和疲劳裂纹扩展速率试验的样品均沿着两种合金T3态薄板的纵向截取。拉伸力学性能试验在CSS-44100型材料实验机上进行，拉伸速度为2 mm/min。疲劳裂纹扩展速率试验在MTS-810型试验机上进行，测试出一系列的?K及相应的(da/dN)数据，之后绘制成疲劳裂纹扩展速率与?K的关系曲线。金相样品采用Keller试剂腐蚀，金相分析在POLYVER-MET显微镜上进行。电镜薄膜样品经机械预减薄后双喷穿孔而成，电解液为硝酸与甲醇混合液(体积比为1?3)，电解减薄温度低于-20 ℃，透射电子显微组织观察在TECNAI G² 20电镜上进行，加速电压为200 kV。

2  实验结果

2.1  两种合金薄板的拉伸力学性能和疲劳力学性能

两种合金T3态薄板的拉伸力学性能见表2。结果表明，在T3状态下，与2524合金相比，2524SZ合金在Cu含量降低0.43%的情况下，添加微量Sc和Zr后，2524SZ合金的抗拉强度和伸长率分别降低了24 MPa和5%，但屈服强度提高了21 MPa。

两种合金T3态薄板的疲劳裂纹扩展速率与?K的关系曲线见图1。由图1可知， 2524SZ合金的疲劳

表2  两种合金T3态薄板的拉伸力学性能

Table 2  Tensile properties of two alloy sheets at T3 condition

图1  两种合金T3态薄板疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子?K关系 

Fig.1  Relationship between fatigue crack growth rate and ?K for two alloy sheets at T3 condition

裂纹扩展速率较慢，门槛应力值?K_th较高。在应力强度因子ΔK=30 MPa?m^1/2时，2524和2524SZ合金T3态薄板的疲劳裂纹扩展速率均值分别为4.50和2.35μm/cycle(见表3)，说明微量Sc和Zr的添加能显著提高2524合金抵抗疲劳裂纹扩展的能力。

表3  两种合金T3态薄板在应力强度因子?K=30 MPa?m^1/2左右的疲劳裂纹扩展速率da/dN

Table 3  Fatigue crack growth rate da/dN of two alloy sheets at T3 condition when stress intensity factor range ΔK=30 MPa?m^1/2

2.2  两种合金薄板的显微组织结构

两种合金T3态薄板的金相组织和透射电子显微组织见图2。由图2(a)和(c)可知，T3状态下2524合金为再结晶组织，含Sc和Zr的2524SZ合金仍有沿轧制方向延展的迹象。由图2(b)、(d)和(e)可知，两种合金晶粒内部分布有大量短棒状的微米级析出相。2524合金中短棒状析出相密度相对较大，微区能谱成分表明短棒状析出相是Al₆Mn，2524合金大角度三叉晶界也表明这种合金再结晶程度大。而2524SZ合金基体主要由细小的亚晶组成，2524SZ合金基体内还 存在一种与基体共格的蹄印形粒子，电子衍射分析(见图2(f))表明，它们是Al₃(Sc, Zr)粒子。

图2  两种合金T3态薄板的金相组织和TEM组织 

Fig.2  OM and TEM images of two alloy sheets at T3 condition (metallographic microstructure at lengthwise direction): (a) 2524-T3 alloy, OM; (b) 2524-T3 alloy, TEM; (c) 2524SZ-T3 alloy, OM ; (d), (e) 2524SZ-T3 alloy, TEM; (f) 2524SZ-T3 alloy, electron diffraction pattern

2.3  两种合金薄板的疲劳裂纹扩展断口特征

在应力强度因子ΔK相近的力学条件下，两种合金板材疲劳裂纹扩展在不同裂纹宏观扩展区的微观形貌见图3。从图3可以看出，疲劳裂纹扩展断口均可明显的分为低速率区(近门槛值区)、稳定扩展区和瞬断区。在低速率区，晶粒组织的形状大小导致了2524合金断口粗糙，高低起伏较明显(见图3(a))，而2524SZ合金断口在此区域内较平坦(见图3(e))；在稳定扩展区，两种合金样品断面上均可见明显的疲劳辉纹(见图3(b), (c), (f)和(g))，2524和2524SZ样品断面上疲劳辉纹间距分别为200和100 nm左右，疲劳辉纹宽度与宏观裂纹扩展速率有关。在瞬断区，两种合金样品断面上均呈典型的韧性断裂(见图3(d)和(h))，相比之下2524SZ合金韧窝尺寸较小。

图3  两种合金T3态薄板疲劳裂纹扩展断口特征

Fig.3  Fracture characteristics of fatigue crack growth of two alloy sheets at T3 condition: (a) Low rate expansion zone, 2524-T3 alloy; (b), (c) Steady state expansion zone, 2524-T3 alloy; (d) Fast rate expansion zone, 2524-T3 alloy; (e) Low rate expansion zone, 2524SZ-T3 alloy; (f), (g) Steady state expansion zone, 2524SZ-T3 alloy; (h) Fast rate expansion zone, 2524SZ-T3 alloy

3  分析和讨论

3.1  微量Sc、Zr对合金显微组织的影响

将微量Sc和Zr添加到2524铝合金中时，由于添加量没有达到细化铸态晶粒的临界含量，因此合金铸态晶粒组织没有细化，微量Sc和Zr主要以与基体共格的次生Al₃(Sc, Zr)粒子形式存在(见图2(e))。这种粒子在铸锭均匀化过程中析出，具有较高的热稳定性，在热轧和固溶过程中，它们能够钉扎位错和晶界，从而起到稳定合金亚结构并部分抑制合金再结晶和晶粒长大的作用^[14]。如图2(d)所示，2524SZ合金基体晶粒组织主要由细小的亚晶组成，充分说明了这一点。

3.2  微量Sc和Zr对合金拉伸力学性能的影响

合金的抗拉强度主要取决于原子之间的结合力，由于2524 SZ合金中的Cu含量比2524合金中的低，因此抗拉强度也稍低。合金屈服强度主要与第二相的粒度、粒形、物相结构以及位错亚结构等有关。添加的Sc和Zr没有固溶到铝基固溶体中，主要是以弥散的、次生的纳米级Al₃(Sc, Zr)粒子形式存在。这些粒子钉扎位错和亚晶界，对形变组织中的亚结构具有强烈的稳定化作用，固溶处理后，2524SZ合金晶粒组织为部分再结晶组织。亚晶强化和Al₃(Sc,Zr)相析出强化是微量Sc和Zr使2524SZ合金屈服强度σ_0.2提高的主要原因。与此同时，2524SZ合金的塑性则有所降低。

3.3  微量Sc和Zr对合金疲劳裂纹扩展速率的影响

如图1所示，两种合金T3态薄板疲劳裂纹扩展速率表明，添加微量Sc和Zr使2524合金疲劳裂纹扩展速率从4.50 μm/cycle下降到2.35 μm/cycle，这个结果与2524SZ合金晶粒组织的亚晶结构和基体中存在的Al₃(Sc, Zr)共格粒子有关。

按照NEUMANN^[15]提出的疲劳裂纹的裂纹尖端滑移模型，裂纹的每一次扩展都可以看成是裂纹体尖端的一次小范围的小量屈服变形。在2524SZ合金中，当疲劳裂纹扩展遇到与基体共格的Al₃(Sc, Zr)粒子时，在裂纹尖端的屈服变形过程中，位错必须切割Al₃(Sc, Zr)粒子，屈服变形的阻力大，疲劳裂纹向前扩展的速率会降低，这一点从两种合金疲劳辉纹间距的差别可以得到证实。

在疲劳裂纹扩展样品上离裂纹距离相近的部位，2524SZ合金疲劳辉纹间距比2524合金的小。由于疲劳辉纹间距是每一次应力循环下屈服变形留下的痕迹，这就间接说明，2524SZ合金基体中的Al₃(Sc, Zr)粒子阻碍了裂纹体尖端的屈服变形，减缓了疲劳裂纹向前扩展的速率。此外，我们还可以看到，疲劳裂纹在不同的晶粒中扩展时，疲劳辉纹的走向不同，同一晶粒不同亚晶粒内，疲劳裂纹的走向虽然大体一致，但也有所差别；晶界和亚晶界能阻碍疲劳裂纹的扩  展^[16]，说明图2(d)所示亚晶结构是一种能有效阻止微裂纹扩展的特征微结构。

4  结论

1) 微量Sc和Zr在2524 SZ合金中主要以次生的Al₃(Sc, Zr)粒子形式存在，这种粒子与基体共格，钉扎位错和亚晶界，在固溶处理过程中仍然能够部分抑制合金的再结晶。亚晶强化和Al₃(Sc,Zr)相析出强化是微量Sc和Zr使2524 SZ合金屈服强度σ_0.2增高的主要原因。

2) 在应力强度因子相近(?K=30 MPa?m^1/2)的条件下，2524和2524SZ合金T3态薄板的疲劳裂纹扩展速率分别为4.50和2.35 μm/cycle，表明微量Sc和Zr的添加能显著提高2524合金抵抗疲劳裂纹扩展的能力。

3) 2524SZ合金中亚晶组织和与基体共格的Al₃(Sc, Zr)粒子是2524SZ合金疲劳裂纹扩展速率降低的主要原因。

REFERENCES

[1] WARNER T. Recently-developed Aluminum solutions for aerospace applications[J]. Materials Science Forum, 2006, 519/521(2): 1271-1278.

[2] 杨守杰, 戴圣龙. 航空铝合金的发展回顾和展望[J]. 材料导报, 2005 19(2): 76-80.
YANG Shou-jie, DAI Sheng-long. A glimpse at the development and application aluminium alloys in aviation industry[J]. Materials Review, 2005 19(2): 76-80.

[3] SRIVATSANA T S, KOLAR D, MAGNUSEN P. The cyclic fatigue and final fracture behavior of aluminum alloy 2524[J]. Materials and Design, 2002, 23(2): 129-139.

[4] NESTERENKO G I, NESTERENKO B G. Ensuring structural damage tolerance of Russian aircraft[J]. International Journal of Fatigue, 2009, 31: 1054-1061.

[5] SUTTON M A, REYNOLDS A P, YAN J H, YANG B C, YUAN N. Microstructure and mixed mode I/II fracture of AA2524-T351 base material and friction stir welds[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2006, 73: 391-407.

[6] 陈 文. 先进铝合金在A380上的应用[J]. 航空维修与工程, 2005(2): 41-42.
CHEN Wen. Application of advanced aluminum alloys in A380 structures[J]. Aviation Maintenance and Engineering, 2005(2): 41-42.

[7] 李 海, 郑子樵, 魏修宇, 王芝秀. 时效析出对铝合金疲劳断裂纹行为的影响[J]. 中国有色金属学报, 2008, 18(4): 589-594.
LI Hai, ZHENG Zi-qiao, WEI Xiu-yu, WANG Zhi-xiu. Effect of aging precipitationcharacteristics on fracture behavior of 2E12 aluminium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(4): 589-594.

[8] YI Dan-qing, YANG Sheng, DENG Bin, ZHOU Ming-zhe. Effect of pre-strain on fatigue crack growth of 2E12 aluminum alloy[J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2007, 17(Special 1): s141-s144.

[9] 郭加林, 尹志民, 商宝川, 聂 波, 何振波. 2524铝合金薄板平面各向异性研究[J]. 航空材料学报, 2009, 29(1): 1-6.
GUO Jia-lin, YIN Zhi-min, SHANG Bao-chuan, NIE Bo, HE Zhen-bo. Study on in-plane anisotropy of 2524 aluminum alloy sheet[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2009, 29(1): 1-6.

[10] TACK W T, HANSSON I L H. Aluminum alloys containing scandium with zirconium additions. US5620652[P]. 1997-04-15.

[11] RIOJA R J, WESTERLUND R W, ROBERTS A E, et al. Aluminum sheet products having improved fatigue crack growth resistance and methods of making same. US Patent Application No.20070000583[P]. 2007-07-04.

[12] WARNER T. Recently-developed Aluminum solutions for aerospace applications[J]. Materials Science Forum, 2006, 519/521(2): 1271-1278.

[13] 尹志民, 姜 锋, 潘清林, 王 华. 一种采用微量钪和锆微合金化的铝铜镁合金薄板及其制备. 中国专利申请号: 200910303565.6[P]. 2009-10-30.
YIN Zhi-min, JIANG Feng, PAN Qing-lin, WANG Hua. An Al-Cu-Mg alloy Sheet using Sc and Zr mino-alloying and its manufacture[J]. Chinese Patent Application: No. 200910303565.6[P]. 2009-10-30.

[14] 尹志民, 潘青林, 姜 锋, 李广汉. 钪和含钪合金[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2007.
YIN Zhi-min, PAN Qing-lin, JIANG Feng, LI Guang-han. Scadium and its alloys[M]. Changsha: Central South University Press, 2007.

[15] NEUMANN P. Coarse slip model of fatigue[J]. Acta Metallurgica, 1969, 17: 1219-1225.

[16] RODER O T, WIRTZ T, GYSLER A. Fatigue properties of Al-Mg alloys with and without scandium[J]. Mater Sci Eng A, 1997, 234/236: 181-184.

(编辑 何学锋)

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(G2005CB623705)

收稿日期：2009-07-15；修订日期：2009-11-19

通信作者：尹志民，教授，博士；电话：0731-88830262；Email: yin-grp@csu.edu.cn