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《中南大学》 2006年
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高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究

林高用  
【摘要】: 高强高韧耐腐蚀且低残余内应力的高性能铝合金厚板是现代航空、航天、舰艇、武器装备等领域必不可少的关键结构材料。在铝合金厚板加工技术方面,我国与世界先进水平差距较大,这一方面是受到我国现有加工装备条件的限制,无超大型加工设备实现铝合金厚板的充分变形;另一方面是因为我国在厚板加工理论和技术方面的相关基础研究相当薄弱,对铝合金在热加工过程中的组织演变规律、厚板制备过程中残余应力的检测与控制技术、铝合金材料的损伤与断裂等多方面的基础研究均未能跟上时代发展的步伐。正因如此,我国目前高性能铝合金厚板大部分依赖进口,严重制约了我国航空、航天及国防技术的发展。因此,针对高性能铝合金厚板加工技术与理论开展持续深入的基础研究工作,为解决铝合金厚板制备的关键技术奠定理论基础、实验基础和人才基础,对我国铝加工工业的发展具有十分重要的意义。 本文结合国家“973”项目(G1999064908),以7×75系高性能铝合金为研究对象,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕铝合金厚板加工制备技术的几个重要环节,从热变形流变应力与组织控制、强应变组织细化技术、淬火残余应力等方面开展相关基础研究,获得如下主要结论: 1.高强铝合金热变形行为研究: 以7075铝合金为实验材料,采用等温热压缩试验,对铝合金在单道次、双道次和四道次热压缩变形过程中的流变应力行为及其组织演变规律进行了实验模拟研究: (1)实验测定了7075铝合金的流变应力曲线。分析表明,随着应变的增加流变应力迅速升高,出现一峰值后逐渐下降或基本保持不变;随变形温度升高,峰值应力和稳态流变应力均呈下降趋势;在变形温度保持不变时,流变应力随着应变速率的提高而增大;建立了该合金热变形的稳态流变应力和峰值流变应力方程,分别如式(3-14)和(3-15)。 (2)获得了热变形工艺参数对7075铝合金再结晶晶粒尺寸的影响规律,即在应变量不变的条件下,再结晶晶粒尺寸随变形参数Z值增加而降低;并建立了Z参数值与平均再结晶晶粒尺寸Dr的定量关系(式3-16),为该合金组织预测和控制提供了一种理论模型。 (3)探明了7075铝合金双道次热压缩变形道次间的软化规律与机理。研究表明,随着道次间保温时间的延长,该合金的软化率提高;变形及保温温度越高,软化率越大;在较低温度下的道次间软化主要是静态回复的结果,而高温下的道次间软化则是静态回复和静态再结晶共同作用的结果。 (4)通过对两种工艺方案下7075铝合金多道次热变形流变应力与组织演变规律的实验研究,发现,因变形过程中的动态回复和动态再结晶、道次间的静态回复与静态再结晶,尤其是沉淀相高温析出等软化机制的综合作用,流变应力随着变形道次增加及温度逐渐降低而依次减小。 2.高性能铝合金厚板强应变组织细化研究: (1)提出一种细化7×75系铝合金厚板组织的“强化固溶→过时效→中温多向锻造→中温轧制→快速加热再结晶处理”的中间形变热处理(ITMT)技术原型,保证了厚板的充分和均匀变形,使合金再结晶晶粒组织和第二相结构得以深度细化。在轧制变形量不超过80%的条件下,厚度达6mm以上的7075铝合金厚板的组织被细化到:短横向的平均晶粒尺寸为8μm,纵向及长横向平均晶粒尺寸为12μm;第二相点状颗粒尺寸一般都小于5μm。该研究成果为我国大规格、高性能铝合金厚板加工提供了新的思路。 (2)研制的7075铝合金厚板“多向热锻开坯→中间形变热处理→时效处理”工艺路径,综合利用沉淀强化和细晶强化的共同作用,使厚板抗拉强度和屈服强度明显提高的同时,伸长率也略有增加:经本文提出的“强应变+固溶时效”加工路径(LD+QA)制备的7075铝合金厚板T6态的抗拉强度σ_b和屈服强度σ_(0.2)值,分别比“工业热轧+固溶时效”(HR+QA)制备的7075铝合金厚板T6态的抗拉强度σ_b和屈服强度σ_(0.2)值提高15.7%和11.6%,且伸长率δ_5由10.4%提高到11.2%。 (3)揭示了ITMT工艺细化晶粒的机理,即充分利用形变储能和第二相的有利影响,通过不连续再结晶实现7×75系铝合金的晶粒细化。 (4)实验表明,7075铝合金锭坯中的粗大难熔相是熔炼过程中形成的多种金属间化合物的聚集团块,质硬而脆,是合金受力变形时微裂纹的主要源头。 3.高性能铝合金厚板淬火残余应力研究: (1)采用钻孔法测量残余应力,较系统地研究了工艺参数对水中淬火的7075铝合金厚板淬火后残余应力的影响;首次通过淬火模拟实验测定了铝合金在不同的淬火水温下的冷却曲线;获得了制备高力学性能、低残余应力的7075铝合金厚板较佳的工艺条件:淬火水温为40~60℃,预拉伸塑性应变2~2.5%,在140℃时效约15小时。 (2)通过实验较系统地研究了两种非水淬火介质(AQ251溶液和乳化液)对铝合金厚板淬火过程及残余应力的影响规律;首次通过淬火模拟实验测定了这两种淬火介质在不同浓度和不同温度下对7075铝合金的冷却曲线,揭示了其影响淬火残余应力的机理;获得了这两种淬火介质使7075铝合金厚板淬火残余应力得到显著降低但对合金组织与性能影响微小的淬火工艺参数,对于AQ251聚合物溶液淬火介质,淬火工艺参数为:浓度30%,温度40℃;对于乳化液淬火介质,浓度为20~30%,淬火温度为室温。 (3)采用有限元数值模拟技术研究获得了铝合金厚板淬火过程中的温度场、应变场和应力场变化规律;首次运用点跟踪技术获得了淬火过程中不同区域内应力反号的临界条件,即铝合金厚板表层和芯部应力分别于淬火后7秒和13秒反号;提出了一种可较好地解释铝合金厚板淬火残余应力形成机理与分布的局部平衡的“应力与应变波动”模型。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TG319

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【引证文献】
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【共引文献】
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【二级引证文献】
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