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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PFZ74

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Li143

6.2.3 在熔剂保护下添加Li143

6.2.4 在惰性气体保护下添加Li144

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