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新型7xxx系铝合金热加工过程中组织性能与残余应力演化

【摘要】:提高主合金元素含量、引入Sc元素进行微合金化可将7xxx铝合金的强度提升至750MPa级别,是超高强铝合金研制的重要思路之一。Zn含量的大幅提升以及Sc的添加对合金组织性能演化有显著影响,新型7xxx系铝合金热加工、热处理过程中组织形成、时效响应及残余应力效应因此与传统7xxx系铝合金有显著差异。因此,针对新型7xxx系铝合金热加工/热处理过程中组织性能演化规律进行研究对该系合金的挖潜和应用有重要工程意义。针对上述需求,本文系统地研究了两种新型7xxx系铝合金在热加工过程中组织性能与残余应力演化,建立两种合金的本构方程与热加工图,探究了合金挤压板材的不同热处理工艺下的组织性能,并分析了40mm厚的合金厚板在热处理过程中的残余应力演化。论文综合采用Gleeble-1500D热模拟试验机模拟两种合金热变形行为,绘制流变应力曲线,构建本构方程和热加工图,给出合适的热加工窗口并分析典型区域的组织特征;通过拉伸试验和TEM技术分析合金不同热处理工艺下的组织性能,并分析性能差异的机理;利用有限元模拟和轮廓法测量的手段分析合金在淬火、时效及深冷处理过程中残余应力的演化,并分析演化机理。研究表明,新型7xxx系铝合金在热变形过程中,经历加工硬化、动态软化和稳态三个阶段,合金流变应力水平高,动态软化效果不明显。含Sc合金的流变应力的水平更高。根据两种合金的本构方程能够很好地预测合金的流变行为,两种合金的本构方程没有明显差异。对比两种合金的热加工图,在变形温度为410℃-460℃,应变速率为0.050s~(-1)-0.158s~(-1)的区域两种合金能量耗散系数较高,为共同的适宜加工的窗口。含Sc合金的失稳区更小,适宜加工区域更大,更适宜进行热加工。热变形过程中再结晶需要在适宜的温度下发生,Sc元素的添加能够显著抑制合金再结晶形核。Al-11Zn-2.5Mg-1.5Cu合金在130°C/24h、140°C/16h下达到峰时效,此时合金的屈服强度超过740MPa,强塑性匹配良好。随着单级时效温度的升高,合金的晶内沉淀相尺寸增大,晶界沉淀相无明显变化。对于双级时效峰时效态的合金,当二级时效温度为145°C时,合金的综合性能与140°C单级时效峰时效状态下的合金没有明显差异。当二级时效温度为155°C时,合金时效响应迅速,峰时效态性能显著提升,之后性能迅速下降,合金晶内沉淀相尺寸略大于145°C峰时效态。添加Sc元素合金晶内沉淀相略微增大,晶界处沉淀相数目减少,尺寸降低,晶界无析出带变窄。在固溶和时效之间加入深冷处理工艺后合金的晶内沉淀相密度增大,晶界处沉淀相略小,密度降低,晶界无析出带变窄,合金的强度和塑性均有提升。新型7xxx系铝合金厚板经25°C淬火后,仿真预测与轮廓法测试的结果一致表明,淬火态厚板厚度方向上残余应力对称分布,表面为压应力,心部为拉应力,板材内部残余应力幅值约为240MPa,在70°C淬火合金内部残余应力幅值约为160MPa,提升淬火温度能显著降低残余应力。在双级时效过程中,预时效结束时,合金残余应力消减40MPa,二级时效对残余应力的消减没有贡献。对合金进行深冷后120°C/8h+145°C/8h时效处理,由于温度梯度不够,深冷处理并不能消减合金的残余应力,反而由于深冷对合金力学性能的强化,会减弱时效过程中蠕变对消减残余应力的贡献。本部分中仿真结果与轮廓法测量结果误差低于15%,因此认为仿真结果匹配良好。

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