本实验研究在接近材料实际工况的试验条件下,在自约束型热疲劳试验机进行热疲劳试验以及热疲劳裂纹萌生及扩展规律的研究。以铝铜合金(Cu 4.5%)为研究对象,通过光学显微镜、SEM、能谱分析、拉伸、硬度以及热疲劳试验等研究了合金元素对铝铜合金热疲劳性能的影响以及热疲劳裂纹萌生和扩展的机制。 选用带预制裂纹的热疲劳试样,以预制裂纹尖端为起始点,裂纹出现至长度达到0.2mm为热疲劳裂纹萌生阶段;裂纹长度大于0.2mm以后为热疲劳裂纹扩展阶段。以热疲劳裂纹长度达到0.2mm所需冷热循环次数即热疲劳裂纹萌生寿命为标准评定不同合金元素对热疲劳裂纹萌生的抗力;以相同循环次数下热疲劳裂纹的长度为标准评定不同合金元素对热疲劳裂纹扩展的抗力。 在本研究条件下,得出以下主要结论: 加入适量的合金元素(Mn、Ti、Ce)对铝铜合金的热疲劳性能均有不同程度的提高,其中以加入Ce的合金热疲劳性能较佳,达到热疲劳裂纹萌生所需的循环次数最多;合金元素都能起到细化组织的效果,但是机理有所不同,Mn和Ti分布在晶内,而Ce主要富集在晶界;随着合金元素加入量的增加,合金热疲劳性能和部分力学性能(抗拉强度、屈服强度)都呈现先升高后降低的变化趋势;合金热疲劳裂纹的扩展方式为混合扩展,裂纹在晶界处萌生并沿晶扩展,有穿晶扩展趋势的裂纹迅速止裂或穿晶扩展到一定程度后转变为沿晶扩展;合金的热疲劳机制与预制裂纹尖端以及形成的微裂纹内部氧化密切相关,氧化大大促进了热疲劳裂纹的萌生与扩展;提出单一力学性能指标无法科学准确的衡量其热疲劳性能,而组织本身强度、塑性、韧性、硬度具有良好的配合是材料获取较佳热疲劳抗力的途径。 通过对比,同等条件下,加入Ce的合金组织的热疲劳性能优于加入Mn、Ti的合金组织的热疲劳性能。Ce量为0.3%时的铝铜合金为热疲劳抗力较佳组织。