喷射成形7055铝合金组织性能与断裂行为研究
发布时间：2022-01-05 07:35
7055铝合金因其具有良好的使用性能被广泛的应用于航空航天等重要领域。传统铸造方法制备得到的7055铝合金组织粗大、致密性低、性能不稳定,制约了其使用。近些年来,喷射成形方法制备得到的7055铝合金晶粒细小、结构致密、性能稳定,受到了越来越多的关注。但是此种合金在热处理过程中容易产生较大的残余应力使得构件在后续的机加工过程中发生变形及开裂,严重影响其使用寿命。因此,本文针对喷射成形7055铝合金的残余应力问题,利用有限元模拟方法分析合金在淬火以及时效过程中残余应力的演变规律,并采用轮廓法测量残余应力来对模拟结果进行验证。同时,通过拉伸实验分析合金在不同热处理工艺下的性能的演变,结合TEM技术分析合金组织演变,根据组织的演变规律归纳总结合金性能差异的机理。最后针对合金构件在热处理过程中出现的开裂进行组织分析表征,分析其开裂机理,制定相关的优化工艺,减少断裂行为的发生。研究结果表明,喷射成形7055铝合金在120°C/24h单级时效状态下达到峰时效,其中经过20°C水淬处理的合金,其屈服强度为692MPa,延伸率为10.8%,经过80°C水淬处理的合金,其屈服强度为680MPa,延伸率为1...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷射成形技术原理图
用效果越好[29,30]。这是因为析出相弥散分布并且尺寸细小时，位错越过析出相时受到的阻碍作用越明显，所耗费的能量越高，合金的强度越高。同时，研究表明，晶界上呈网状连续分布的沉淀相对合金的韧性及塑性极为不利，因此需要控制相关的热处理工艺，使得晶界沉淀相呈断续分布。固溶处理温度较高或者淬火速率较快时，容易形成晶界无析出带，目前对晶界无析出带的利弊尚无明确的定论，不过从力学性能以及抗应力腐蚀的角度看，还是应该尽量避免晶界无析出带[31,32]。同时相关研究发现，不同淬火速率下合金的组织呈现不同的形貌。图1-2为传统7055铝合金分别在20°C和100°C淬火后的组织形貌图[33]。可以发现，在20°C水中淬火时，基体中的非均匀形核被抑制，基本没有析出相产生，但当升高淬火温度至100°C时，基体中会发生非均匀形核，这些提前析出相不会有强化效果，反而消耗了基体中的溶质原子，减小了固溶体的过饱和度，在后续时效过程中降低时效强化效果。图1-2传统7055铝合金不同淬火温度下的TEM图像(a)20°C水淬;(b)100°C淬火1.2.3淬火残余应力及其有限元分析当物体收到外部的约束及力的作用时，在物体的内部会产生相应的应力与之平衡，在卸除所有约束及力后，物体内部任然存留一定的应力，这种应力称为残余应力。
，该类残余应力是在材料的晶粒范围内存在的。由于不同相之间存在差异，或者夹杂物与复合材料基体之间物理性质的不同导致晶粒间存在残余应力。第二类残余应力的改变也会对构件的尺寸造成影响。第三类残余应力(记为σⅢ)，这一类残余应力的作用范围极小，通常只在晶粒的原子范围内起作用，并且不同原子范围内其大小也不同。但与其余两类残余应力不同的是，第三类残余应力由于作用范围小，其平衡状态被破坏的情况下材料的尺寸不会发生改变。本文所研究的7055铝合金的残余应力属于第一类残余应力，即宏观区域内的残余应力。图1-3是采用裂纹柔度法测试传统7055铝合金不同淬火温度下内部的残余应力水平[38]。测试结果符合典型的残余应力分布规律，表层压应力心部拉应力，应力水平较高达到200MPa左右。对比还发现，随着水温升高淬火残余应力水平逐渐降低，但应力分布趋势基本相同[39,40]。当淬火温度升高到80°C时，其应力水平有大幅度的降低，说明提高淬火温度对于降低残余应力效果显著。喷射成形7055铝合金其强度相比传统7055铝合金更高，相应的应力水平也比较高，因此有必要通过提高淬火温度来降低内部的应力。图1-3裂纹柔度法测量传统7055铝合金不同淬火温度下残余应力随着计算机技术的发展，运用计算机来模拟分析发挥着越来越重要的作用。有限元模拟分析是利用计算机技术对淬火过程进行模拟，建立数学模型，得到各个物理场之间的演变及分布规律[41]。运用有限元分析软件测定残余应力是目前运用较
【参考文献】：
期刊论文
[1]淬火介质对7050铝合金组织及性能的影响[J]. 吴道祥,林林,陈焕良,李丹丹. 铝加工. 2018(04)
[2]不同淬火介质下7055铝合金厚板淬火内应力测试[J]. 李亚楠,张永安,李锡武,李志辉,王国军,闫宏伟,金龙兵,熊柏青. 中国有色金属学报. 2017(12)
[3]7055高强铝合金大型环件轧制技术研究[J]. 陈增奎,周卫卫,范新中,陈浩,涂光纯. 精密成形工程. 2016(04)
[4]7050铝合金氢致附加应力与氢脆[J]. 祁文娟,宋仁国,祁星,王超,李海,金骥戎,孙斌. 中国有色金属学报. 2015(05)
[5]残余应力测试方法的研究进展[J]. 李晨,楼瑞祥,王志刚,张伟. 材料导报. 2014(S2)
[6]7075铝合金板淬火残余应力模拟及实验研究[J]. 李大峰,丁华锋,刘立斌,王孟,蔡奎. 机械研究与应用. 2012(03)
[7]淬火析出对Al-Zn-Mg-Cu合金时效行为的影响（英文）[J]. 唐建国,陈慧,张新明,刘胜胆,刘文军,欧阳惠,李红萍. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(06)
[8]Zn和Mg质量比对7055铝合金淬火敏感性的影响[J]. 张新明,陈慧,刘胜胆,刘文军,皇甫融. 中南大学学报(自然科学版). 2012(05)
[9]二次回归再时效对Al-Zn-Mg-Cu组织、强度及剥蚀性能的影响（英文）[J]. 彭国胜,陈康华,陈送义,方华婵. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(04)
[10]固溶处理对7050铝合金强度和断裂韧性的影响[J]. 韩念梅,张新明,刘胜胆,何道广,张荣. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
博士论文
[1]2A14铝合金厚板残余应力表征及消减工艺研究[D]. 董亚波.哈尔滨工业大学 2016
[2]7050铝合金H型截面长轴锻件成形工艺优化及淬火残余应力消除研究[D]. 吴道祥.重庆大学 2016
[3]AA 7055铝合金的时效析出行为与力学性能[D]. 陈军洲.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]7050铝合金模锻件淬火残余应力及消减工艺研究[D]. 杨重.湖南大学 2017
[2]固溶过程中升温速率及淬火速率对7075铝合金板材的组织及性能的影响[D]. 王路.重庆大学 2016
[3]回归再时效制度对喷射成形7055铝合金组织和性能的影响[D]. 蒋云泽.江苏科技大学 2015
[4]合金元素对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响[D]. 张勰.中南大学 2010
[5]喷射成形7475铝合金热处理及超塑性研究[D]. 张林.上海交通大学 2010
[6]铝合金厚板振动时效工艺以及效果的研究[D]. 沈华龙.中南大学 2008
[7]残余应力超声波测量方法研究[D]. 赵翠华.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3570025
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
喷射成形技术原理图
用效果越好[29,30]。这是因为析出相弥散分布并且尺寸细小时，位错越过析出相时受到的阻碍作用越明显，所耗费的能量越高，合金的强度越高。同时，研究表明，晶界上呈网状连续分布的沉淀相对合金的韧性及塑性极为不利，因此需要控制相关的热处理工艺，使得晶界沉淀相呈断续分布。固溶处理温度较高或者淬火速率较快时，容易形成晶界无析出带，目前对晶界无析出带的利弊尚无明确的定论，不过从力学性能以及抗应力腐蚀的角度看，还是应该尽量避免晶界无析出带[31,32]。同时相关研究发现，不同淬火速率下合金的组织呈现不同的形貌。图1-2为传统7055铝合金分别在20°C和100°C淬火后的组织形貌图[33]。可以发现，在20°C水中淬火时，基体中的非均匀形核被抑制，基本没有析出相产生，但当升高淬火温度至100°C时，基体中会发生非均匀形核，这些提前析出相不会有强化效果，反而消耗了基体中的溶质原子，减小了固溶体的过饱和度，在后续时效过程中降低时效强化效果。图1-2传统7055铝合金不同淬火温度下的TEM图像(a)20°C水淬;(b)100°C淬火1.2.3淬火残余应力及其有限元分析当物体收到外部的约束及力的作用时，在物体的内部会产生相应的应力与之平衡，在卸除所有约束及力后，物体内部任然存留一定的应力，这种应力称为残余应力。
，该类残余应力是在材料的晶粒范围内存在的。由于不同相之间存在差异，或者夹杂物与复合材料基体之间物理性质的不同导致晶粒间存在残余应力。第二类残余应力的改变也会对构件的尺寸造成影响。第三类残余应力(记为σⅢ)，这一类残余应力的作用范围极小，通常只在晶粒的原子范围内起作用，并且不同原子范围内其大小也不同。但与其余两类残余应力不同的是，第三类残余应力由于作用范围小，其平衡状态被破坏的情况下材料的尺寸不会发生改变。本文所研究的7055铝合金的残余应力属于第一类残余应力，即宏观区域内的残余应力。图1-3是采用裂纹柔度法测试传统7055铝合金不同淬火温度下内部的残余应力水平[38]。测试结果符合典型的残余应力分布规律，表层压应力心部拉应力，应力水平较高达到200MPa左右。对比还发现，随着水温升高淬火残余应力水平逐渐降低，但应力分布趋势基本相同[39,40]。当淬火温度升高到80°C时，其应力水平有大幅度的降低，说明提高淬火温度对于降低残余应力效果显著。喷射成形7055铝合金其强度相比传统7055铝合金更高，相应的应力水平也比较高，因此有必要通过提高淬火温度来降低内部的应力。图1-3裂纹柔度法测量传统7055铝合金不同淬火温度下残余应力随着计算机技术的发展，运用计算机来模拟分析发挥着越来越重要的作用。有限元模拟分析是利用计算机技术对淬火过程进行模拟，建立数学模型，得到各个物理场之间的演变及分布规律[41]。运用有限元分析软件测定残余应力是目前运用较
【参考文献】：
期刊论文
[1]淬火介质对7050铝合金组织及性能的影响[J]. 吴道祥,林林,陈焕良,李丹丹. 铝加工. 2018(04)
[2]不同淬火介质下7055铝合金厚板淬火内应力测试[J]. 李亚楠,张永安,李锡武,李志辉,王国军,闫宏伟,金龙兵,熊柏青. 中国有色金属学报. 2017(12)
[3]7055高强铝合金大型环件轧制技术研究[J]. 陈增奎,周卫卫,范新中,陈浩,涂光纯. 精密成形工程. 2016(04)
[4]7050铝合金氢致附加应力与氢脆[J]. 祁文娟,宋仁国,祁星,王超,李海,金骥戎,孙斌. 中国有色金属学报. 2015(05)
[5]残余应力测试方法的研究进展[J]. 李晨,楼瑞祥,王志刚,张伟. 材料导报. 2014(S2)
[6]7075铝合金板淬火残余应力模拟及实验研究[J]. 李大峰,丁华锋,刘立斌,王孟,蔡奎. 机械研究与应用. 2012(03)
[7]淬火析出对Al-Zn-Mg-Cu合金时效行为的影响（英文）[J]. 唐建国,陈慧,张新明,刘胜胆,刘文军,欧阳惠,李红萍. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(06)
[8]Zn和Mg质量比对7055铝合金淬火敏感性的影响[J]. 张新明,陈慧,刘胜胆,刘文军,皇甫融. 中南大学学报(自然科学版). 2012(05)
[9]二次回归再时效对Al-Zn-Mg-Cu组织、强度及剥蚀性能的影响（英文）[J]. 彭国胜,陈康华,陈送义,方华婵. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012(04)
[10]固溶处理对7050铝合金强度和断裂韧性的影响[J]. 韩念梅,张新明,刘胜胆,何道广,张荣. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
博士论文
[1]2A14铝合金厚板残余应力表征及消减工艺研究[D]. 董亚波.哈尔滨工业大学 2016
[2]7050铝合金H型截面长轴锻件成形工艺优化及淬火残余应力消除研究[D]. 吴道祥.重庆大学 2016
[3]AA 7055铝合金的时效析出行为与力学性能[D]. 陈军洲.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]7050铝合金模锻件淬火残余应力及消减工艺研究[D]. 杨重.湖南大学 2017
[2]固溶过程中升温速率及淬火速率对7075铝合金板材的组织及性能的影响[D]. 王路.重庆大学 2016
[3]回归再时效制度对喷射成形7055铝合金组织和性能的影响[D]. 蒋云泽.江苏科技大学 2015
[4]合金元素对Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响[D]. 张勰.中南大学 2010
[5]喷射成形7475铝合金热处理及超塑性研究[D]. 张林.上海交通大学 2010
[6]铝合金厚板振动时效工艺以及效果的研究[D]. 沈华龙.中南大学 2008
[7]残余应力超声波测量方法研究[D]. 赵翠华.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3570025
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