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Al-Zn-Mg-Cu合金包覆淬火残余应力、微观组织与性能的研究

【摘要】:Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金可通过热处理获得优异的综合性能,但是固溶处理之后的淬火急冷过程很可能导致工件表面与心部温差较大而产生残余应力。这种因材料内外温度不一致而导致的残余应力在厚板工件中尤为明显。材料内部的残余应力对材料的性能影响极大,较大的残余应力会影响结构的刚度及其稳定性,引起工件形状尺寸的变化,同时,结构的疲劳强度以及抗应力腐蚀等性能也会受到影响。本实验探究了包覆淬火工艺对Al-Zn-Mg-Cu合金厚板淬火残余应力及微观组织和性能的影响,同时探讨了包覆淬火工艺的作用机理,以及探究时效工艺对包覆淬火工艺处理后的合金性能的影响,主要研究成果如下。(1)包覆淬火工艺可以有效地降低Al-Zn-Mg-Cu合金的淬火残余应力,且残余应力消除效果随着包覆层厚度(0.2 mm-0.6 mm)的增加而增加,包覆层厚度达到0.6 mm时,残余应力几乎被完全消除,且人工时效后的包覆淬火处理合金能保持较好的综合力学性能以及得到更好的电导率结果。(2)包覆淬火工艺消除残余应力的机理主要在于包覆层在合金淬火时及时释放了不平衡热应力,减少了淬火过程中塑性变形的发生,因而从残余应力产生的源头作用降低了残余应力水平。本工艺能够保持合金性能的主要原因在于,释放过热应力的包覆层产生的褶皱和裂纹,使得包覆样品能够获得足够的淬火冷却速率,进而在后续人工时效处理过程中获得相近的沉淀析出强化效果。(3)原位电阻率和硬度测定分析显示包覆淬火工艺不同程度地影响了合金的过饱和固溶程度以及后续的时效析出动力学,包覆层厚度越厚(0.2 mm-0.6 mm),包覆处理样品的时效析出行为与普通淬火样品越接近。(4)在同样的人工时效温度下包覆淬火工艺需要相对更长的人工时效处理时间才能达到其峰值力学性能,这是由于包覆淬火工艺能够大幅降低Al-Zn-Mg-Cu合金内部的残余应力以及晶内位错密度,以及包覆淬火处理在一定程度上降低了淬火冷却速率进而导致的沉淀析出驱动力的下降。在实验所涉及包覆厚度下(0.2 mm-0.6 mm)的包覆淬火样品,经过峰值时效后硬度都可以达到几乎不低于经过峰值时效后的普通淬火样品的水平。(5)TEM分析显示,采用包覆淬火工艺处理比采用常规淬火工艺的Al-Zn-Mg-Cu合金具有更低的位错密度,在峰值时效后,包覆淬火合金和普通淬火合金有着相近的纳米析出相分布,以及更加不连续的晶界析出相组织。

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