深冷处理提高轻合金构件尺寸稳定性的研究

论文摘要

高强度铝合金具有优良的力学性能和加工性能等,而被广泛地应用于各类武器作战系统中。铝合金精密构件在制造过程中容易发生加工变形、在长期存放过程中容易丧失加工精度、在服役过程中可靠性差等尺寸不稳定问题,学术界比较一致地认为这些精密构件的尺寸不稳定问题主要是由构件中的残余应力以及微观组织的不稳定所导致的,因此控制和消除残余应力、提高材料微观组织稳定性对于精密构件具有重要的意义。在科研单位xx所的资助下,本论文采用数值模拟的方法探讨了轻合金构件深冷处理过程中残余应力的变化规律,并借助金相显微镜及场发射扫描电镜分析了深冷处理对材料微观组织的影响。主要研究工作如下:1.建立了特种铝合金构件深冷处理的热.弹塑性力学模型,分析了深冷处理数值模拟的边界条件,并对材料的物性参数进行了插值计算,探讨了采用有限元分析深冷处理过程瞬态温度场、瞬态应力场的基本理论与方法,提出了采用热-力耦合方法计算深冷处理后特种铝合金构件残余应力场的工作流程。2.对特种铝合金构件深冷处理进行了热.力耦合分析。针对锥形壳体与机匣体,探讨了淬火、深冷与反淬火等三个阶段的瞬态温度场与应力场的计算方法,并对三种不同深冷工艺处理参数下的残余应力分别进行了数值模拟。数值模拟结果显示:对于锥形壳体,三种不同深冷工艺的残余应力消除率分别为20.4%、17.9%和16.1%;对于机匣体,三种不同深冷工艺的残余应力消除率分别为23.7%、15.3%和14.1%。3.建立了特种铝合金构件材料去除过程的力学模型,对深冷处理构件和常规热处理构件的材料去除过程进行了数值模拟,以分析深冷处理对特种铝合金构件加工过程的尺寸稳定性影响。数值模拟结果表明:对于锥形壳体,深冷处理构件的最大变形量较常规热处理构件降低了31.9%;对于机匣体,深冷处理构件的最大变形量较常规热处理构件降低了13.7%。4.对深冷处理和常规热处理状态下的特种铝合金材料进行了微观组织分析。借助金相显微镜及场发射扫描电镜等设备分析比较了深冷处理对材料微观组织的影响。结果表明,深冷处理使材料产生了大量的位错,增强了微观组织的稳定性,从而有利于构件尺寸稳定性的提高。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 轻合金构件尺寸稳定化技术研究概况
• 1.3 深冷处理在精密构件尺寸稳定化技术中的应用概况
• 1.3.1 深冷处理对提高铁碳合金构件尺寸稳定性的研究
• 1.3.2 深冷处理对提高铝合金构件尺寸稳定性的研究
• 1.4 构件热（冷）处理过程仿真技术研究概况
• 1.5 本论文的研究目标、内容及方法
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究方法
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 深冷处理过程热力耦合数值模拟的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 深冷处理过程温度场的数值模拟
• 2.2.1 深冷处理热传导方程
• 2.2.2 瞬态温度场的有限元离散
• 2.3 深冷处理过程瞬态应力场的计算
• 2.3.1 热弹塑性问题
• 2.3.2 深冷处理过程瞬态应力场的数值模拟
• 2.4 7A04铝合金物性参数
• 2.4.1 深冷处理工艺基本流程
• 2.4.2 7A04铝合金材料物性参数
• 2.4.3 7A04铝合金的换热系数
• 2.5 本章小结
• 第三章 7A04特种铝合金构件深冷处理数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 深冷处理方式及数值模拟过程
• 3.2.1 研究对象
• 3.3.2 深冷处理方式
• 3.3.3 深冷处理数值模拟过程
• 3.3.2.1 初始条件和边界条件的设定
• 3.3.2.2 深冷处理数值模拟流程
• 3.3 7A04铝合金锥形壳体深冷处理数值模拟结果及分析
• 3.3.1 7A04铝合金锥形壳体深冷处理温度场的数值模拟
• 3.3.2 7A04铝合金锥形壳体深冷处理残余应力场分析
• 3.4 7A04铝合金机匣体深冷处理数值模拟结果及分析
• 3.4.1 7A04铝合金机匣体深冷处理温度场的数值模拟
• 3.4.2 7A04铝合金机匣体深冷处理残余应力场分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 轻合金构件材料去除过程尺寸稳定性的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 残余应力诱发精密构件尺寸不稳定性的基本原理
• 4.2.1 残余应力重新分布的力学原理
• 4.2.2 单元去除的有限元基本原理
• 4.3 研究对象及材料去除方式
• 4.4 锥形壳体材料去除的数值模拟及结果分析
• 4.5 机匣体材料去除的数值模拟及结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 深冷处理对7A04铝合金微观组织的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 试样材料
• 5.2.2 试样的热处理工艺
• 5.2.3 实验设备及金相试样的制备
• 5.2.3.1 实验设备
• 5.2.3.2 金相试样的制备
• 5.3 结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间参与科研项目及发表论文
• 致谢