Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金变形行为及组织性能研究

论文摘要

本文主要对航空用Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金冷热变形行为及组织性能进行系统地研究,旨在为制定和优化合金加工工艺及改善性能提供理论基础。试验采用Gleeble-1500热模拟机研究不同变形条件对合金变形抗力的影响,通过金相（0M）观察和透射（TEM）方法分析变形及退火后组织的演变规律。采用力学性能测试,电导率和腐蚀性能试验研究冷变形对合金最终组织和性能的影响以优化冷轧变形量的分配制度,并结合电化学手段和组织分析重点研究不同冷变形量合金的剥落腐蚀行为及其机理,得到以下主要结论：（1）Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金变形抗力随变形温度升高而下降,随应变速率升高而增大。合金的软化机制对变形温度敏感,在360-400℃范围内热变形时,合金组织仅发生动态回复,当变形温度高于400℃以后,合金热变形以动态再结晶为主。应变速率在0.01-1s-1范围内,不影响合金的变形软化机制,但对合金亚结构的影响较大,随应变速率的增加,位错密度增加,亚晶尺寸减小。（2）本实验中Al-6.1Zn-2.8Mg-1.9Cu-0.25Cr合金的热变形激活能约为192.6KJ／mol,流变应力σ,应变速率ε和温度T三者之间满足：ε=e28.78[sinh（0.0128σ）]8.32 exp（-192.6/RT）为保证轧板较好的强度和良好的组织特征,合金热轧的最佳温度范围为380℃-400℃,应变速率为0.1s-1。（3）变形量为50%的Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金冷轧板中间退火时,再结晶起始温度为390℃,再结晶完成温度为420℃,超过450℃退火晶粒明显长大。再结晶的主要形核机制为亚晶合并形核,在发生再结晶的初期,回复为形核提供有利的亚晶组织,形核核心由5-8个小亚晶聚集而成。合金退火时的回复和再结晶动力学方程分别为：XR=0.155lnt+0.56282 lnln（1/（1-X））=0.2943lnt-0.8151（4）对合金的冷变形研究表明：随冷轧变形量的增大合金的强度提高,延伸率和电导率下率,变形量从50%升高至80%,屈服强度由464MPa升至480MPa,合金的电导率由39.9%IACS下降为39.2%IACS.合金经双级时效后,主要析出相为η′和η相,冷轧变形量越大,析出相的体积分数越高。冷轧变形量的提高还促进η相在晶界上的连续析出。从晶粒形态上看随冷轧变形量的增加,晶粒沿变形方向的尺寸逐渐减小,而晶粒纵向和横向的比值增大。（5）剥落腐蚀实验和极化曲线测试表明：随冷轧变形量的提高,合金的剥落腐蚀敏感性提高。变形量主要通过改变晶粒形态及晶界析出相影响合金的剥蚀性能。一方面冷变形导致合金晶粒纵横比增大,使得腐蚀裂纹尖端处产生的楔应力增加,裂纹扩展速率提高；另一方面,较大冷变形合金时效时形成的连续晶界析出相易成为阳极腐蚀通道也会加速剥落腐蚀进程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 Al-Zn-Mg-Cu合金的发展概况
• 1.3 Al-Zn-Mg-Cu合金的合金化机理
• 1.4 Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织与性能
• 1.5 铝合金的冷变形及退火过程
• 1.5.1 冷变形组织
• 1.5.2 冷变形储存能
• 1.5.3 冷变形组织的退火过程
• 1.6 铝合金的热变形理论
• 1.6.1 热变形流变应力及本构关系
• 1.6.2 铝合金热变形机理
• 1.7 Al-Zn-Mg-Cu合金的剥落腐蚀性能（EXCO）
• 1.7.1 Al-Zn-Mg-Cu合金剥落腐蚀的形成
• 1.7.2 Al-Zn-Mg-Cu合金剥落腐蚀机理
• 1.7.3 Al-Zn-Mg-Cu合金剥落腐蚀的评价方法
• 1.7.4 Al-Zn-Mg-Cu合金剥落腐蚀的影响因素
• 1.8 本文的研究目的及内容
• 第二章 实验方案与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 研究方案
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 高温变形模拟实验
• 2.3.2 常温力学性能测试
• 2.3.3 剥落腐蚀性能测试
• 2.3.4 电导率测试
• 2.3.5 DSC分析
• 2.3.6 金相（OM）组织观察
• 2.3.7 透射电镜（TEM）观察
• 第三章 Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金的热变形行为
• 3.1 实验方法
• 3.2 温度对合金热变形行为影响
• 3.2.1 变形温度对流变应力的影响
• 3.2.2 不同变形温度下的显微组织
• 3.2.3 讨论
• 3.3 应变量对高温热变形的影响
• 3.3.1 不同应变量下的应力应变曲线及显微组织
• 3.3.3 讨论
• 3.4 应变速率对热变形行为的影响
• 3.4.1 不同应变速率下的应力-应变曲线
• 3.4.2 流变应力分析
• 3.4.3 不同应变速率下的显微组织
• 3.4.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金退火行为及动力学研究
• 4.1 实验方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 不同退火温度下的合金硬度分析
• 4.2.2 不同退火温度下的显微组织
• 4.2.3 不同退火时间合金硬度分析
• 4.2.4 合金回复动力学分析
• 4.2.5 合金再结晶动力学分析
• 4.2.6 合金再结晶时组织演变
• 4.2.7 再结晶机制
• 4.3 本章小结
• 第五章 冷轧变形对合金组织与性能的影响
• 5.1 实验方法
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 室温拉伸及电导率分析
• 5.2.2 金相组织观察
• 5.2.3 透射电镜分析
• 5.2.4 DSC分析
• 5.2.5 剥落腐蚀实验
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 冷轧变形量对晶粒组织的影响
• 5.3.2 冷轧变形量对双级时效的影响
• 5.3.3 冷轧变形量对合金强度及电导率的影响
• 5.3.4 冷轧变形量对腐蚀性能的影响
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要研究成果