铝锂合金 工艺、性能和应用PDF电子书下载

第1部分 铝锂合金概论 3

第1章 铝锂合金的历史发展与现状 3

1.1 简介 3

1.2 锂元素添加到铝合金中：初期 3

1.2.1 第一代现代铝锂合金的发展历史 4

1.2.2 美铝公司的2020合金发展 4

1.2.3 2020合金的塑性问题 5

1.2.4 铝锂合金在苏联的发展 6

1.3 现代铝锂合金的发展 7

1.3.1 第二代铝锂合金 8

1.3.2 生产制造问题 9

1.3.3 Al-Li-x合金中析出相的结构 9

1.3.4 预先变形对时效过程中析出相的影响 11

1.3.5 时效后Al-Li-x合金的变形行为 13

1.3.6 Al-Li-x合金中应变局域化预测 15

1.3.7 第二代铝锂合金的应用及问题 16

1.3.8 第三代铝锂合金 16

1.3.9 导致Al-Li-x系合金性能改善的基本信息 17

1.4 结束语 18

致谢 19

参考文献 19

第2章 飞机结构设计与铝锂合金应用 24

2.1 引言 24

2.2 飞机结构的性能要求 24

2.2.1 机身／压力舱 25

2.2.2 机翼 25

2.2.3 尾翼（尾部） 26

2.3 飞机结构对铝锂合金工程性能的要求 26

2.3.1 锂含量的关键作用：密度和刚度 26

2.3.2 强度和韧性 29

2.3.3 损伤容限 30

2.4 铝锂合金家族 34

2.4.1 第二代铝锂合金 34

2.4.2 第三代铝锂合金 36

2.5 第三代铝锂合金的性能研发和综合权衡举例 38

2.5.1 机身／压力舱 38

2.5.2 上机翼 40

2.5.3 下机翼 43

2.5.4 翼梁、肋和其他内部结构 45

2.6 服役资格鉴定程序 46

2.7 总结和结论 47

参考文献 48

第2部分 物理冶金 53

第3章 铝锂合金的相图及相反应 53

3.1 引言 53

3.1.1 合金发展历程 53

3.1.2 合金化元素和成分的影响 54

3.2 相的特征 56

3.3 Al-Li二元合金体系 57

3.4 三元体系 61

3.4.1 Al-Li-Mg体系 61

3.4.2 Al-Li-Cu体系 63

3.4.3 Al-Cu-Mg体系 65

3.4.4 Al-Li-Zr三元体系 67

3.5 四元Al-Li-Cu-Mg体系 67

3.5.1 相平衡 67

3.5.2 商业化Al-Li合金中析出相的回顾 68

3.6 Al-Li合金中的微合金化元素 72

3.6.1 用于晶粒细化的微合金化元素 72

3.6.2 用于强化的微合金化添加元素 73

3.7 杂质相和晶粒边界析出相 74

3.7.1 杂质 74

3.7.2 析出相和PFZ 74

3.8 本章小结 75

致谢 77

参考文献 77

第4章 铝锂合金的显微组织与析出物特征 85

4.1 简介 85

4.2 固溶热处理状态下的显微组织 87

4.3 时效硬化行为 87

4.3.1 时效硬化曲线 88

4.3.2 时效不同阶段的显微组织 89

4.3.3 高温曝露后的显微组织 91

4.4 析出物特征 92

4.4.1 Al3Li（δ′）相 92

4.4.2 Al2Cu（θ′）相 94

4.4.3 三元Al-Li-Cu合金中的Al2CuLi（T1）相 94

4.4.4 四元Al-Li-Cu-Mg合金中的Al2CuLi（T1）相 97

4.4.5 Al2CuMg（S′）相和平衡S相 98

4.4.6 Al3Zr（β′）相 102

4.4.7 AlLi（δ）相 105

4.4.8 Al6CuLi3（T2）相 106

4.5 小结 109

致谢 110

参考文献 110

第5章 铝锂合金中的织构及其对性能的影响 118

5.1 引言 118

5.2 Al-Li合金的织构 121

5.3 一级加工过程中织构演变 123

5.3.1 二元、三元Al-Li合金中β丝织构组分（Bs、S和Cu） 123

5.3.2 α丝织构组分（高斯和立方／旋转立方） 125

5.3.3 冷热成形过程中析出相和滑移特性的作用 127

5.3.4 非八面体滑移的影响 127

5.4 屈服强度的宏观各向异性 128

5.5 降低Al-Li合金织构的措施 129

5.5.1 工艺方法 129

5.5.2 厚板各向异性 131

5.5.3 薄板产品疲劳裂纹偏折 131

5.5.4 第三代Al-Li合金组织特征 132

5.6 小结 133

致谢 133

参考文献 133

第3部分 工艺技术 141

第6章 铝锂合金的熔炼和铸造 141

6.1 简介 141

6.2 大气中的熔体保护 141

6.2.1 锂的反应活性 141

6.2.2 通过Al-Li中间合金添加Li 143

6.2.3 在熔剂保护下添加Li 143

6.2.4 在惰性气体保护下添加Li 144

6.3 坩埚材料 145

6.4 吸氢与熔体除气 146

6.5 晶粒细化 147

6.6 铸造实践 150

6.6.1 金属／铸型反应、铸造性和成形铸造 150

6.6.2 半连续铸造 151

6.7 小结 152

参考文献 153

第7章 铝锂合金的热加工 157

7.1 导论 157

第1部分 成形性能 160

7.2 导论 160

7.3 铝锂合金热变形特性概述 161

7.3.1 二元铝锂合金的热成形性 161

7.3.2 多元铝锂合金的热成形性 161

7.3.3 宜发生超塑性的热变形区域 163

7.4 UL 40铝锂合金的热变形行为和热加工图 164

7.5 热变形行为研究总结 168

第2部分 铝锂合金的加工 170

7.6 概述 170

7.6.1 轧制产品 170

7.6.2 挤压件和锻件 173

7.7 工业化规模制备 175

7.7.1 简介 175

7.7.2 第三代铝锂合金现有信息的回顾与讨论 175

7.8 总结 177

参考文献 178

第8章 铝锂合金的超塑性和超塑性成形 183

8.1 前言 183

8.2 超塑性 185

8.2.1 超塑性特征 185

8.2.2 试验研究 189

8.2.3 低温超塑性 194

8.2.4 应变速率和应变速率敏感性（m值）对超塑性的影响 195

8.3 超塑性成形 197

8.4 搅拌摩擦工艺在超塑性成形过程中的作用 201

8.4.1 FSP材料的超塑性 202

8.4.2 超塑性行为和变形机理 203

8.4.3 孔隙密度和粒度分布 205

8.5 应用 207

8.6 结论 208

参考文献 208

第9章 铝锂合金的焊接 215

9.1 简介 215

9.2 焊缝金属气孔 217

9.3 凝同裂纹 218

9.3.1 概述 218

9.3.2 Al-Li合金凝固裂纹指导原则 220

9.3.3 可焊接Al-Li合金的开发 220

9.4 液化裂纹 224

9.5 EQZ形成和相关熔合边界裂纹 225

9.5.1 试验观察 225

9.5.2 EQZ形成的假设及其评价 228

9.5.3 熔合边界裂纹 228

9.6 熔合区显微组织的改善 229

9.6.1 变质处理 229

9.6.2 脉冲电流 230

9.6.3 磁弧振荡 232

9.7 力学性能 234

9.7.1 Al-Li 1420（第一代Al-Li合金） 235

9.7.2 Al-Li 1441、AA 8090和AA 2090（第二代Al-Li合金） 235

9.7.3 Al-Li AA 2195（第三代Al-Li合金） 237

9.8 腐蚀 238

9.9 固态焊接工艺 241

9.9.1 摩擦焊 241

9.9.2 搅拌摩擦焊 241

9.10 总结 243

致谢 243

参考文献 243

第4部分 力学行为 253

第10章 铝锂合金的准静强度、变形和断裂行为 253

10.1 简介 253

10.2 强化机制 255

10.2.1 δ′析出相在铝锂合金中的强化作用 255

10.2.2 其他强化相在铝锂合金中的强化作用 257

10.3 延伸率和断裂韧性 259

10.3.1 平面滑移的本质和发生条件 259

10.3.2 减少平面滑移和局部应变的方法 260

10.3.3 采用热处理手段提高强度和断裂韧性 262

10.4 力学各向异性 263

10.5 典型铝锂合金的拉伸性能 263

10.5.1 第一代铝锂合金：AA 2020合金 263

10.5.2 第二代铝锂合金：AA 8090合金 266

10.5.3 第三代铝锂合金：AA 2198合金 272

10.6 总结和结论 274

参考文献 275

第11章 铝锂合金的疲劳行为 281

11.1 引言 281

11.2 疲劳现象 281

A部分：低周疲劳 282

11.3 低周疲劳行为 282

11.4 试验方法及分析 284

11.4.1 循环应力响应行为的表征 285

11.4.2 循环应力应变行为的表征 285

11.5 铝锂合金的LCF行为 286

11.5.1 综述／微结构及环境的影响 286

11.5.2 疲劳寿命的幂函数关系 287

11.5.3 循环应力响应行为 293

11.5.4 循环应力应变行为 294

11.5.5 疲劳韧性 296

11.5.6 铝锂合金的低周疲劳抗力 298

B部分：高周疲劳 299

11.6 铝合金的高周疲劳行为——引言 299

11.7 试验方法的背景 301

11.8 铝锂合金的高周疲劳行为 301

11.8.1 综述 301

11.8.2 锂含量、时效和冷加工的影响 301

11.8.3 第一代铝锂合金AA 2020-T651的高周疲劳行为 302

11.8.4 第二代铝锂合金AA 8090-T651-A的高周疲劳行为 303

11.8.5 第三代铝锂合金AA 2098的高周疲劳行为 303

11.8.6 铝锂合金的高周疲劳抗力：光滑试样和缺口试样的性能及注意点 305

11.9 总结与结论 307

11.10 结束语 308

符号表 308

参考文献 309

第12章 铝锂合金的疲劳裂纹扩展行为 314

12.1 引言 314

12.2 试验方法和分析的基础知识 315

12.2.1 试验方法 315

12.2.2 分析 316

12.3 铝锂合金疲劳裂纹扩展综述 316

12.3.1 长／大裂纹：恒幅和恒应力比加载 316

12.3.2 长／大裂纹：飞行模拟加载 318

12.3.3 短／小裂纹 319

12.4 铝锂合金与传统铝合金疲劳裂纹扩展性能的比较Ⅰ：恒幅／恒应力比加载条件下的长／大裂纹 319

12.4.1 第一代铝锂合金 319

12.4.2 第二代铝锂合金 319

12.4.3 第三代铝锂合金 322

12.5 铝锂合金与传统铝合金的疲劳裂纹扩展性能比较Ⅱ：飞行模拟加载条件下的长／大裂纹 326

12.5.1 第二代铝锂合金：突风和机动谱加载条件 326

12.5.2 第三代铝锂合金：突风谱加载 330

12.6 铝锂合金与传统铝合金的疲劳裂纹扩展性能比较Ⅲ：短／小裂纹 330

12.6.1 恒幅加载 331

12.6.2 飞行模拟加载 332

12.7 第二代和第三代铝锂合金的疲劳裂纹扩展行为的差别和优点 333

12.8 总结和结论 334

12.8.1 铝锂合金的疲劳裂纹扩展 334

12.8.2 与实际有关的裂纹扩展阶段 335

参考文献 337

第13章 航空铝锂合金的断裂韧性与断裂模式 342

13.1 引言 342

13.2 测定断裂韧性的试验方法和术语 345

13.2.1 平面应力／平面应变的考虑 345

13.2.2 厚制品的测试 345

13.2.3 薄板和中厚板测试 347

13.3 微观特征对断裂韧性及断裂模式的影响 348

13.3.1 外来夹杂和孔隙 349

13.3.2 组分颗粒 349

13.3.3 碱金属杂质相 350

13.3.4 弥散体 351

13.3.5 基体沉淀 352

13.3.6 晶界沉淀物和无沉淀区 354

13.3.7 晶界偏析 355

13.3.8 概述和第三代铝锂合金的微观结构设计 356

13.4 第二代铝锂合金与传统铝合金的断裂韧性 358

13.4.1 室温数据 358

13.4.2 试验温度和应变速率的影响 361

13.5 第三代铝锂合金的断裂韧性 364

13.5.1 厚板与其他厚制品 364

13.5.2 薄板与中厚板 367

13.6 第三代铝锂合金的应用及潜在用途 369

13.7 结论 372

参考文献 372

第14章 铝锂合金的腐蚀及应力腐蚀 378

14.1 简介及历史背景 378

14.2 铝锂合金的局部腐蚀 380

14.2.1 铝锂合金 381

14.2.2 Al-Li-Cu与Al-Li-Cu-Mg合金 381

14.2.3 Al-Mg-Li合金 393

14.3 应力腐蚀开裂 394

14.3.1 Al-Li二元合金 396

14.3.2 Al-Li-Cu合金与Al-Li-Cu-Mg合金 397

14.3.3 机理分析 403

14.4 总结和结论 404

参考文献 405

第5部分 应用 417

第15章 铝锂合金在航空航天领域的应用 417

15.1 引言 417

15.2 减重 419

15.2.1 密度 419

15.2.2 比刚度 420

15.2.3 现代／创新结构理念和案例分析 421

15.3 材料的选择 425

15.3.1 铝合金、碳纤维增强塑料和纤维金属层板：优点和缺点 425

15.3.2 飞机结构材料 428

15.3.3 用于空间飞行器的铝合金 429

15.3.4 材料的合格审定示例 431

15.4 第三代铝锂合金的应用 433

15.4.1 飞机 433

15.4.2 航天器 435

15.5 总结和结论 439

参考文献 440

第16章 金属材料的适航认证 446

16.1 引言 446

16.2 航空和适航管理机构 447

16.2.1 民用航空 447

16.2.2 军用航空 448

16.3 金属材料的适航 448

16.3.1 疲劳设计理念 449

16.3.2 材料和结构的认证方法 451

16.4 一种铝锂合金的适航认证举例 456

16.4.1 认证方法 457

16.4.2 铝锂合金1441M薄板的认证 458

16.5 总结 459

参考文献 460

附录1 铝锂合金中的锂和铝的质量分数与原子分数的相互转换 462

附录2 部分国际单位转换因数 464

为本书做出贡献的人员名单 466