5000系铝合金由于其良好的耐蚀性、焊接性与加工性等优点,在航空航天、压力容器和日用设施等领域发挥着重要的作用。随着科技的不断进步与人类生活和工业生产需求的不断提高,传统的5000系铝合金的强度已经不能满足新的需求。与粗晶材料相比,超细晶与纳米晶材料具有包括较高强度等非常优异的物理化学性能与力学性能,高压扭转技术则是大塑性变形中细化能力最强的一种可以生产超细晶和纳米晶材料的方法。高压扭转通过使圆片状试样在较高的压力下进行剪切变形,将圆片状金属材料的晶粒尺寸直接降至纳米级,并通过位错增殖等微观结构演变,使材料的强度与硬度等性能显著提高。但是位错密度的提高会使得超细晶和纳米晶材料内部极不稳定,在使用温度升高时面临微观结构演变以及优异性能消失等难点,因此,研究高压扭转纯Al和不同成分Al-Mg合金的微观结构、力学性能与热稳定性具有重要的作用和意义。本文以商业纯Al、四种Al-Mg合金(Mg元素分别为0.5%、1.0%、2.5%和5.0%)和一种商用的AA5182铝合金(Mg元素含量为4.1%)为研究对象,通过使用高压扭转对其进行形变处理,使用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)等表征手段,对高压扭转纯Al和不同成分的Al-Mg合金的微观结构进行分析。通过拉伸实验以及显微硬度测试等方法,对高压扭转纯Al和不同成分的Al-Mg合金的力学性能进行探究。最后通过退火处理,结合X射线衍射、透射电子显微镜和差示扫描量热法(DSC)等测试方法对高压扭转纯铝和不同成分Al-Mg合金的热稳定性进行分析。所得结论如下:(1)高压扭转处理可以非常明显的细化纯Al和不同成分的Al-Mg合金并提高其硬度。经XRD分析,高压扭转纯Al和Al-5.0Mg合金的平均晶粒尺寸分别为164nm和46 nm,而位错密度分别为0.16×10~(14) m~(-2)和4.46×10~144 m~(-2),有了明显的增加。高压扭转纯Al、Al-1.0Mg、Al-2.5Mg和Al-5.0Mg硬度分别是未进行高压扭转状态的2.35、3.12、3.40和2.79倍,Al-5.0Mg合金的硬度会从高压扭转之前的72 HV增加到高压扭转之后的201 HV,增强硬度的作用非常明显。随着Mg含量的不断提高,高压扭转Al-Mg合金的显微硬度不断增大。(2)高压扭转处理可以使纯Al和不同成分的Al-Mg合金中分布着较多数量的位错、非平衡晶界和位错胞等晶体缺陷,这会极大的推动较大晶粒的分解,当位错胞和亚晶之间的位向差不停的变大,最终就会实现从小角度晶界到大角度晶界的转变,晶粒尺寸得到降低,实现晶粒细化。(3)高压扭转处理可以极大的提升纯Al以及不同成分的Al-Mg合金的强度。在高压扭转前后,纯Al的屈服强度和抗拉强度依次从45 MPa和75 MPa增长到145MPa和200 MPa,AA5182合金的屈服强度和抗拉强度依次从115 MPa和255 MPa增长到690 MPa和800 MPa。同时,随着Mg含量的增加,延伸率出现了剧烈下降。(4)高压扭转纯Al、Al-0.5Mg、Al-1.0Mg、Al-2.5Mg、AA5182和Al-5.0Mg合金的层错能依次为103、101、96、72、42和37 mJ/m~(-2),呈不断下降的趋势,层错密度随Mg元素添加量增加而增加,从而在细晶强化和位错强化的基础上,产生层错强化,进一步提高力学性能。(5)通过DSC分析可以发现,高压扭转纯Al、Al-1.0Mg和Al-5.0Mg合金在加热过程中将会依次经历回复过程、再结晶过程、晶粒长大过程和二次再结晶过程。总体而言,随着Mg含量的增加,放热峰出现的时间会提前,表明Mg含量较高时,基体具有较高的晶界能,其热稳定性较差。(6)退火温度和保温时间对于高压扭转纯Al和Al-5.0Mg合金的回复过程均有重要的影响。退火温度对于再结晶过程影响非常明显。高压扭转纯Al的退火温度从125°C增长到280°C时,其晶粒会明显粗化,晶粒尺寸从486 nm增长到1130 nm,而高压扭转Al-5.0Mg合金随着保温时间从10分钟增长到90分钟以及退火温度上升到280°C时,微观结构特征的变化与高压扭转纯Al类似,只有在280°C时可以观察到相邻夹角为120°的三叉晶界结构,这是明显的局部再结晶特征。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG306;TG146.21
【部分图文】：
江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文尺寸，可以应用于包括纯金属、合金以及复合材料等不同成分的物体，可块体材料实验后内部无空隙和杂质等[13]。高压扭转有压缩和扭转两个阶段，其中试样放在上冲头和下冲头之间，理如图 1.1 所示。首先，上冲头对试样施加轴向压应力，使试样产生压缩变后通过扭转下模，使试样的横截面在摩擦力的作用下产生扭矩，试样的内剪切变形。因此，高压扭转是对试样施加高压环境并通过旋转下模，由下产生摩擦力和剪切力，从而使材料发生剧烈塑性变形，细化晶粒，获得超织。
图 2.2 高压扭转设备Fig.2.2 Machine of high pressure torsion性能测试与表征 金相组织分析对金相组织分析使用的是Zeiss金相显微镜，以Keller试剂作为腐蚀剂[5eller试剂的化学成分为1%HF+1.5%HCl +2.5%HNO3+95%H2O。 显微硬度使用 FM-ARS900 型全自动显微硬度计，对高压扭转纯铝和不同成g 合金以及不同退火状态的试样进行显微硬度测试。显微硬度测试时
高压扭转纯 Al 和 Al-Mg 合金的微观结构、力学性能与热稳定性。 D8 ADVANCE 型德国产 X 射线衍射仪(X-ray diffra 40 KV 的电压， 200 mA 的电流，Cu 靶 Kα 线，6 0°的扫描范围，扫描方式为连续扫描。显微镜分析nai G2 型透射电子显微镜和 JEM–2010 型高分辨透射结构表征，图 2.3 为 Tecnai G2 型透射电子显微镜。
【参考文献】
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本文编号：
2859150
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