7075铝合金搅拌摩擦加工的组织结构及性能表征

论文摘要

7075铝合金作为可热处理强化高强铝合金,被广泛应用于航天、航空、军工以及汽车等工业领域。但在7075铝合金熔融焊接过程中,容易产生较大的变形、热应力,以及气孔、裂纹等缺陷,严重影响7075铝合金的应用。搅拌摩擦焊接作为一种新型的固相焊接技术,为7075铝合金的焊接与加工提供了有效的加工方法。然而,由于应用的现状,目前对7075合金的搅拌摩擦焊接/搅拌摩擦加工研究主要集中于对时效态7075铝合金的搅拌摩擦加工方面,对固溶态7075铝合金的搅拌摩擦加工研究报导相对较少。本文通过对不同热处理状态(固溶态及时效态)7075铝合金进行搅拌摩擦加工后的显微硬度及光学组织研究,并结合对硬度特征数值处的背散射电子通道衬度相、透射电镜和背散射电子衍射研究,讨论了加工过程中的温度梯度场与合金形变机制、第二相及织构演变的联系规律。对比了两种搅拌摩擦加工方式对不同热处理状态合金的的微观组织结构的影响。详细研究了两种状态合金平行于轧向搅拌摩擦加工后的金相组织。结果表明:固溶态合金在加工区横截面的轴肩影响区、搅拌区和前进侧的交界处,以及在焊核区漩涡区、搅拌区与前进侧的交界处,存在较为明显的孔洞型缺陷,而时效态合金并没有在这两处发现缺陷;固溶态合金在轴肩影响区与前进侧的界面变化幅度较为平缓,时效态合金界面过渡则较陡。对两种状态合金分两次进行了系统的显微硬度实验,建立了硬度分布图。各层面显微硬度分布总体上呈现出W形状。焊核中心的硬度从底面至表面呈现出逐渐增大的趋势。时效态合金焊核区硬度的回升比固溶态合金的硬度回升明显。同时,在3mm层面附近,时效态合金出现明显的低硬度区,而固溶态合金则没有发现软化带。此外,两次硬度试验表明,自然时效对两种状态合金的硬度分布存在影响。根据两种状态合金硬度分布图的特征,通过扫描电镜、背散射电子通道衬度相和透射电镜对特定硬度数值位置处的组织结构进行了分析。研究表明,焊核区晶粒由细小等轴晶粒组成,且从底部至顶部晶粒越来越大。焊核区底部至顶部晶界相逐渐减少,但晶内析出相却逐渐增多。时效态合金在焊核区晶内析出的第二相明显要多于固溶态。对两种状态合金的背散射电子衍射实验表明,两种状态合金在热机影响区和焊核区的晶粒的取向变化差别不大。越靠近焊核区,回退侧的热机影响区呈现出小角度晶界逐渐减少,大角度晶界逐渐增加的渐变式的变化。随着逐渐靠近焊核区,晶粒织构越来越弱。两种状态合金焊核区晶粒主要由大角度界面构成,内部有少量的小角度界面,大角度界面的百分数占到了80%以上。经搅拌摩擦加工处理后,由于晶粒发生偏转,两种状态合金在焊核区均形成了弱的剪切织构。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 搅拌摩擦焊接与加工研究现状
• 1.2.1 FSW/FSP 基本原理
• 1.2.2 搅拌工具的研究进展
• 1.2.3 微观组织研究
• 1.2.4 温度场的分布
• 1.3 铝合金搅拌摩擦焊接与加工的组织与性能的研究
• 1.3.1 第二相粒子分布研究
• 1.3.2 焊缝区显微硬度研究
• 1.3.3 织构的演变
• 1.4 课题研究内容
• 1.4.1 目的及意义
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 技术路线
• 2 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 热处理工艺
• 2.2.2 化学成分分析
• 2.2.3 搅拌摩擦加工（FSP）
• 2.2.4 光学显微镜观察
• 2.2.5 显微硬度测试
• 2.2.5 SEM-ECC（Electron Channeling Contrast）及样品的制备
• 2.2.6 SEM-EBSD 测量
• 2.2.7 TEM 及样品制备
• 3 不同热处理状态下的7075 铝合金搅拌摩擦加工的微观组织研究
• 3.1 固溶态7075 铝合金搅拌摩擦加工后的微观组织
• 3.1.1 搅拌摩擦加工前母材组织
• 3.1.2 搅拌摩擦加工后各区域微观组织
• 3.2 时效态7075 铝合金搅拌摩擦加工后的微观组织
• 3.2.1 焊核区组织演变
• 3.2.2 热机影响区组织分析
• 3.2.3 热影响区组织分析
• 3.3 不同初始状态的7075 铝合金垂直于轧向搅拌摩擦加工的微观组织
• 3.3.1 宏观形貌
• 3.3.2 焊核区组织对比
• 3.3.3 热机影响区组织分析
• 3.4 小结
• 4 两种初始状态的7075 铝合金搅拌摩擦加工后的显微硬度研究
• 4.1 固溶态与时效态7075 铝合金搅拌摩擦加工处理后加工区的显微硬度研究
• 4.1.1 固溶态7075 铝合金FSP 加工区的硬度分布
• 4.1.2 时效态7075 合金FSP 加工区的硬度分布
• 4.1.3 固溶态与时效态7075 铝合金FSP 加工区的硬度分布对比研究
• 4.2 第二相对硬度分布的影响
• 4.2.1 ECC 形貌
• 4.2.2 TEM 观察
• 4.3 两种状态合金垂直于轧向搅拌摩擦加工各层面的显微硬度研究
• 4.4 小结
• 5 两种状态的7075 铝合金搅拌摩擦加工的微观组织和织构的演变
• 5.1 初始母材微观织构
• 5.2 固溶态7075 铝合金FSP 的微观组织结构演变
• 5.2.1 回退侧TMAZ 的微观组织及织构的研究
• 5.2.2 前进侧TMAZ 的微观组织及织构的研究
• 5.2.3 焊核区的微观组织结构变化
• 5.3 时效态7075 铝合金FSP 的微观组织演变
• 5.3.1 焊核区的微观组织结构变化
• 5.3.2 前进侧TMAZ 的微观组织及织构的研究
• 5.3.3 回退侧TMAZ 的微观组织及织构的研究
• 5.4 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录