2195铝锂合金板材热变形-淬火复合成形规律与强化机制

发布时间：2017-09-05 14:02

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【摘要】：为满足新一代运载火箭发展要求,提高火箭的有效运载能力,迫切需要实现箭体结构零件轻量化。轻质高强的铝锂合金具有广泛的应用前景。为解决铝锂合金薄壁零件常温成形易开裂、回弹大以及成形后热处理变形大的难题,本文提出了基于冷热组合模的热变形-淬火复合成形方法,将成形和热处理相结合,同时实现零件形状和性能控制。本文以新一代箭体材料2195铝锂合金板材为主要研究对象,揭示固溶热变形机理和高温形变热处理强化机制,探索不同冷热模具淬火条件下的强化规律,为实际工艺制定提供理论指导和技术支持。通过热拉伸试验研究了不同固溶温度(460-540℃)和应变速率(0.01-1s-1)条件下热态力学性能,分析了拉伸变形过程中流动应力变化特征,建立了描述流动应力变化的本构模型。通过热态气压胀形试验,研究了气压加载速度对充分固溶后板材在双拉应力状态下的变形行为的影响规律,分析了不同胀形阶段的轮廓变化和壁厚分布规律,揭示了应变强化和应变速率强化对变形均匀性的调节机制。快速加压条件下,应变强化协调能力明显增强,使变形转移到临近变形抗力相对较小的区域,避免了集中变形。变形后期应变速率的增加,进一步促进了应变速率强化对均匀变形的调节作用。通过SEM、EBSD、TEM分析测试方法,研究了不同固溶温度和应变速率下的热变形组织演变规律,揭示了固溶热变形微观物理机制。变形机制主要为晶内滑移,无晶粒异常长大。软化机制主要取决于变形速度和变形程度,当变形速度较快(1s-1)时,为动态回复;变形速度较慢(0.01-0.1s-1)时,变形前期的动态回复能够促进动态再结晶发生。断裂机制则主要取决于固溶温度,固溶温度较低(460℃)时为微孔聚集型的穿晶断裂;固溶温度较高时为穿晶断裂和沿晶断裂的混合形式,且固溶温度越高,沿晶断裂比例越大。通过完全固溶条件下的单向拉伸和气压胀形试验,研究了不同应变速率(0.01-1s-1)和应变(0.68)下变形对时效强化的影响规律。固溶热变形能够促进时效强化,硬度随单拉应力状态变形增加而增加,随双拉应力状态变形先增加而后保持不变。通过TEM表征了析出相及其分布规律,揭示了固溶热变形对时效析出的促进机制,表现为固溶热变形导致位错和亚晶界形成,为T1相提供了更多的形核质点,使其大量弥散析出,进而促进了时效强化。并且,促进作用主要取决于变形程度,变形速度的影响相对较小。通过热变形-淬火复合成形实验,分析了U型截面和双曲率截面试件的回弹规律,研究了不同冷热模具组合条件下的强化规律,获得了强化效果调控的模具温度窗口。热变形-淬火复合成形过程中,回弹显著降低,U型试件法兰回弹角小于0.1o,成形试件尺寸精度高。对于不同强度级别的铝合金板材,成形试件在常温模具内冷却时均能获得98%以上的峰时效强度水平。模具温度在超过200℃以后,强化效果随模具温度升高而降低。冷热组合模具成形时,冷上模冷却仍可实现98%以上的峰时效强化效果,可通过提高热下模温度来减缓板材温度下降,且不会影响后续的强化效果。
【关键词】：2195铝锂合金 热变形-淬火复合成形 冷热组合模 变形规律 强化机制 组织演变
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG156.3;V252
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-35
• 1.1 课题背景15
• 1.2 铝锂合金及在航空航天领域应用现状15-18
• 1.3 热变形-淬火复合工艺研究进展18-24
• 1.3.1 高强钢热变形-淬火复合成形技术及研究现状18-20
• 1.3.2 铝合金热变形-淬火复合成形技术及研究现状20-24
• 1.4 铝合金热变形组织演变研究进展24-27
• 1.5 铝合金热处理强化机制研究进展27-32
• 1.5.1 固溶及淬火敏感性28-29
• 1.5.2 时效析出行为29-30
• 1.5.3 沉积强化机制30-32
• 1.6 基于冷热组合模的热变形-淬火复合工艺32-33
• 1.7 课题研究的意义和主要内容33-35
• 第2章 试件与研究方法35-43
• 2.1 试件与材料35-36
• 2.2 热变形-淬火复合成形装置36-38
• 2.3 热变形-淬火复合成形实验研究方法38-39
• 2.4 固溶热变形行为研究方法39-41
• 2.4.1 单拉变形行为测试方法39-40
• 2.4.2 双拉变形行为测试方法40-41
• 2.5 组织性能分析测试方法41-43
• 2.5.1 力学性能测试41
• 2.5.2 三维型面测量41-42
• 2.5.3 扫描电子显微镜（SEM）分析42
• 2.5.4 透射电子显微镜（TEM）分析42-43
• 第3章 2195铝锂合金板材固溶热变形行为43-70
• 3.1 引言43
• 3.2 固溶热拉伸变形行为43-54
• 3.2.1 热态力学性能44-46
• 3.2.2 流动应力变化规律46-48
• 3.2.3 热态变形本构关系48-54
• 3.3 固溶热气压胀形行为54-67
• 3.3.1 气压加载方式55-56
• 3.3.2 极限变形能力56-57
• 3.3.3 胀形件轮廓分析57-61
• 3.3.4 胀形件壁厚分布规律61-63
• 3.3.5 热态气压胀形力学分析63-67
• 3.4 固溶态硬脆性和非硬脆性分析67-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第4章 2195铝锂合金板材固溶热变形微观机理70-94
• 4.1 引言70
• 4.2 单拉应力状态下变形组织演变规律70-77
• 4.2.1 拉伸变形晶粒变化70-73
• 4.2.2 拉伸变形织构演变73-74
• 4.2.3 拉伸断口形貌分析74-77
• 4.3 双拉应力状态下变形组织演变规律77-84
• 4.3.1 气压胀形晶粒变化77-81
• 4.3.2 气压胀形织构演变81-82
• 4.3.3 胀形断口形貌分析82-84
• 4.4 复杂应力状态下变形组织演变规律84-87
• 4.4.1 晶粒变化85-86
• 4.4.2 织构变化86-87
• 4.5 固溶热变形的微观物理机制87-92
• 4.5.1 热态变形机制87-88
• 4.5.2 热变形过程硬化机制88-89
• 4.5.3 热变形过程软化机制89-91
• 4.5.4 热变形过程断裂机制91-92
• 4.6 本章小结92-94
• 第5章 2195铝锂合金板材热变形-淬火复合强化机制94-107
• 5.1 引言94
• 5.2 不同热处理条件下板材强化规律94-98
• 5.2.1 固溶条件对板材强度的影响95
• 5.2.2 冷却条件对板材强度的影响95-96
• 5.2.3 时效条件对板材强度的影响96-97
• 5.2.4 常温变形对板材强度的影响97-98
• 5.3 固溶热变形对时效强化的影响规律98-101
• 5.3.1 单拉应力状态下变形对时效强化的影响98-99
• 5.3.2 双向应力状态下变形对时效强化的影响99-100
• 5.3.3 复杂应力状态下变形对时效强化的影响100-101
• 5.4 2195铝锂合金热处理强化机制分析101-105
• 5.4.1 峰时效条件强化相分布101-102
• 5.4.2 强化相析出与粗化规律102-104
• 5.4.3 固溶热变形对时效强化的促进机制104-105
• 5.5 本章小结105-107
• 第6章 铝合金板材热变形-淬火复合成形实验研究107-123
• 6.1 引言107
• 6.2 热变形-淬火复合成形回弹规律107-112
• 6.2.1 U型截面试件回弹规律107-110
• 6.2.2 双曲率试件回弹规律110-112
• 6.3 不同冷热模具组合条件下强化规律112-119
• 6.3.1 等温模具成形时的强化规律113-116
• 6.3.2 冷热组合模具成形时的强化规律116-119
• 6.4 不同冷热模具组合条件下厚向强化规律119-121
• 6.4.1 等温模具成形时强化规律120
• 6.4.2 冷热组合模具成形时强化规律120-121
• 6.5 本章小结121-123
• 结论123-125
• 创新点125-126
• 参考文献126-133
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果133-135
• 致谢135-136
• 个人简历136

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