热机械处理对高耐损伤2E12铝合金微观组织及其性能的影响

论文摘要

2E12合金是我国在2524铝合金基础上研制的新型高性能铝合金,是目前断裂韧性和抗疲劳性能最为优异的航空Al-Cu-Mg系高强合金,众所周知,合金的耐损伤性能与其微观结构有着密切关系。为此,本文借助金相（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）等微观组织分析手段,以及硬度测试、拉伸性能测试、热模拟和DSC示差扫描量热法等方法,并结合动态材料模型建立了2E12合金的加工图,详细研究了2E12的热压缩变形行为及其微观组织演变规律,以及最终热机械处理对高耐损伤（2E12）铝合金析出动力学、微观组织和力学性能的影响,得到以下结论：（1）2E12铝合金热变形过程中经历了过渡变形与稳态变形阶段,表现出稳态流变特征。合金的稳态流变应力随变形温度的升高而降低；随应变速率的增加而升高。在高速大应变条件下,出于形变热效应而使变形温度升高,导致流变应力下降,且这种效应随测试温度的降低而增大。（2）2E12合金材料常数求解结果为：变形激活能Q（ΔH）= 154.8kJ/mol,应力指数n=6.006,应力水平参数α=9.879×10-3MPa-1,结构因子A=2.151×1011s-1。2E12铝合金在热变形条件下流变应力σ、应变速率、变形温度T与Z参数满足以下关系式：（3）2E12合金的加工图上存在三个功率耗散效率较高的区域,1#区域的温度范围为325-375℃,应变速率范围为0.01s-10.03s-1,其效率峰值为22%,且中心落在温度为350℃,应变速率为0.01s-1时；2#区域的温度范围为350-450℃,应变速率范围为1.78-10s-1,其效率峰值为25%,且中心落在温度为400℃,应变速率为10s-1时；3#区域的温度范围为450-500℃,应变速率范围为0.01-10s-1,其效率峰值为33%,且中心落在温度为500℃,应变速率为0.01s-1时。就2E12合金的工业生产工艺设计而言,该合金在本文的测试范围内存在一个宽大的动态回复区域,表现为加工图中功率耗散效率等高线相对均匀的区域,即300℃-450℃的温度区间。（4）2E12合金加工图与流变应力和微观组织的结论相一致。当变形温度为200℃时,2E12合金主要保持了纤维状组织,其动态回复程度较小；而变形温度300℃≤T≤400℃时,2E12合金通过动态回复机制使变形组织逐步向等轴的亚晶组织转化,且其动态回复程度随温度的升高也明显增大,400℃时已经形成明显的亚晶。在3#区域的低应变速率范围内,当变形温度T≥450℃时,其主要的动态软化机制为连续动态再结晶,微观组织观察表明亚晶扭转合并为2E12合金动态再结晶的主要形核机制,且沿原始晶界优先形核,形成呈“链”状分布的细小再结晶晶粒,且其动态再结晶程度随温度的提高显著增大,动态再结晶速率随应变速率增大而减小；而在3#区域中温度为500℃,应变速率为1-10 s-1时合金发生了大粒子回溶和沿晶界楔形开裂的现象。（5）固溶后40%冷轧显著地增强了2E12合金的时效硬化效应和强化效果,明显加快了合金的时效硬化速率,缩短了到达时效峰值的时间。DSC分析结果表明,2E12合金固溶后40%冷轧态的S’相析出放热峰温度明显低于其固溶态,且固溶后40%冷轧态样品在差热分析测试的升温过程中S’相的析出体积分数和析出速率均明显高于固溶态的样品。S’相的激活能计算结果表明2E12合金的固溶后40%冷轧态和固溶态S’相激活能分别为86.6kJ/mol和127.6 kJ/mol。（6）固溶后40%冷轧态2E12合金的强度得到了显著的提高,但是其延伸率降到了-4%；后期时效热处理进一步显著地提高固溶后40%冷轧态2E12合金强度和塑性。固溶后40%冷轧+175℃/7h（峰值）处理的2E12合金具有高强度和良好的塑性,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到了-540、-610MPa和-8%。当固溶后40%冷轧态2E12合金在相对较高的温度时效时,其塑性同样也存在一定的提高,但强化效果明显减弱,且其屈服强度增幅随时效温度的提高而降低。本文中2E12合金最佳的最终热机械处理制度为固溶后40%冷轧+175℃/1h（欠时效）。通过该热处理制度可以同时提高合金的强度和塑性,其屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为-520MPa、-600MPa和-12.3%,该屈服强度比T8态提高了-40MPa,延伸率约为T8态的2.6倍。（7）透射电镜观察表明2E12合金传统热处理制度（T6、T8）的主要强化相为粗大的S’相,而最终热机械处理制度欠时效态的强化效果主要来源于纳米尺度的GPB2/S"相和位错强化,最终热机械处理制度峰、过时效态的强化效果则来源于细小的S’相和较弱的位错强化。SEM断口观察表明固溶后40%冷轧态2E12合金的拉伸断口形貌中含有少量的韧窝、撕裂棱及部分光滑区域,呈混合型断裂的特征。固溶后40%冷轧+175℃/1h态2E12合金的拉伸断口形貌断口由大量的的韧窝和撕裂棱组成,呈韧性断裂特征。固溶后40%冷轧+175℃/24h（过时效）2E12合金的拉伸断口形貌由大量撕裂棱和少量韧窝组成,主要呈脆性断裂特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 铝合金的发展与应用
• 1.2 Al-Cu-Mg（2x24）系合金
• 1.2.1 Al-Cu-Mg（2x24）系合金的发展应用与研究现状
• 1.2.2 Al-Cu-Mg（2x24）系合金性能
• 1.2.3 Al-Cu-Mg（2x24）系合金的微观组织结构特征
• 1.3 热机械处理在铝合金中发展应用与研究现状
• 1.3.1 热机械处理对材料微观组织结构的影响
• 1.3.2 热机械处理对铝合金性能的影响
• 1.4 物理模拟在材料加工领域中的应用
• 1.4.1 物理模拟的发展概况
• 1.4.2 物理模拟的试验方法
• 1.4.3 国内外物理模拟技术在热轧加工领域的应用现状
• 1.5 本文研究目的、意义与内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 高温压缩变形试验
• 2.3 2E12合金板材最终热机械处理
• 2.4 差热分析试验
• 2.5 力学性能测试
• 2.5.1 显微硬度测试
• 2.5.2 拉伸性能测试
• 2.6 微观组织观察
• 2.6.1 金相组织观察
• 2.6.2 扫描电镜观察
• 2.6.3 透射电镜观察
• 2.6.4 电子背散射衍射（EBSD）观察
• 第三章 2E12合金高温塑性变形流变应力行为
• 3.1 前言
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 真应力-真应变曲线
• 3.2.2 2E12合金本构方程的建立
• 3.3 分析与讨论
• 3.3.1 温度对流变应力的影响
• 3.3.2 应变速率对流变应力的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 2E12铝合金的加工图及其显微组织演化研究
• 4.1 前言
• 4.2 基于动态材料模型（DMM）的加工图
• 4.3 2E12合金的加工图
• 4.3.1 2E12合金热变形过程中的流变应力行为
• 4.3.2 2E12合金加工图的建立
• 4.4 2E12合金热变形过程中的显微组织演化
• 4.4.1 变形温度对2E12合金微观组织的影响
• 4.4.2 应变速率对2E12合金微观组织的影响
• 4.4.3 2E12合金的动态再结晶行为及其晶界特征
• 4.4.4 2E12合金的楔形开裂行为
• 4.5 2E12合金热变形后的硬度
• 4.6 本章小结
• 第五章 最终热机械处理对2E12铝合金的力学性能和微观组织的影响
• 5.1 前言
• 5.2 最终热机械处理对2E12合金S’相析出动力学的影响
• 5.2.1 DSC差热分析
• 5.2.2 2E12合金中S'相的沉淀析出激活能
• 5.3 最终热机械处理对2E12合金力学性能的影响
• 5.4 最终热机械处理对2E12合金微观组织的影响
• 5.4.1 TEM微观组织观察
• 5.4.2 SEM断口分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢