7085铝合金热变形组织演变的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-10-12 00:56

　　 铝合金的微观组织是决定其综合性能的主要因素,在热变形过程中,材料在热力耦合作用下,微观组织结构会发生变化,形成新的变形组织,通常会发生动态再结晶。影响微观组织演变的因素主要有变形温度、变形速率和变形量。因此,如何通过控制热变形参数,来达到精确调控微观组织及提高材料综合性能的目的,已成为材料加工领域的重点研究方向。现代航空工业对高性能铝合金的综合性能提出了更高的要求,飞机上所用的铝合金大锻件在成型过程中,成性的重要性远大于成型。通过研究热变形过程中的组织演变规律来精确调控材料的微观组织,对提高材料的综合性能具有重要的意义。近年来,随着计算材料学的快速发展,通过建立数学模型来模拟材料的热变形行为已成为一种重要的研究手段。本文以7085铝合金为研究对象,通过位错密度将微观组织演变与宏观变形过程联系起来,建立了模拟7085铝合金初始组织生成和动态再结晶过程的元胞自动机模型,实现了 7085铝合金热变形过程的微观组织模拟,并通过实验进行验证。参考铝合金热变形实验的工艺参数,确定了热模拟实验的工艺参数范围,实验温度范围为300～460°C、变形速率范围为0.001～1s-1,应变范围为0.51～1.5。在Gleeble-1500热模拟实验机上,对7085铝合金开展等温压缩实验,获得了应力-应变曲线,并对变形后的试样进行组织分析,统计平均晶粒直径和再结晶分数。研究了 7085铝合金在不同热变形条件下的应力-应变曲线和组织演变规律。根据晶粒长大的物理机制,制定了四条元胞转变规则,建立了模拟晶粒正常长大的元胞自动机模型。该模型可以根据输入的平均晶粒直径输出对应的初始组织,晶粒的形状为等轴状,晶粒尺寸基本符合正态分布。对均匀化试样进行组织分析,结果证实,模拟得到的初始组织与实验得到的组织吻合较好。基于位错密度的分布函数和动态再结晶动力学方程,以位错密度的大小为判据,建立了动态再结晶元胞自动机模型,该模型可以再现再结晶晶粒的形核和长大过程。采用MATLAB语言开发组织模拟核心程序,采用Python语言开发统计晶粒尺寸的脚本程序。利用该模型模拟了不同热变形参数下的组织演变,并统计变形后组织的平均晶粒直径和再结晶分数,然后用组织分析得到的平均晶粒直径对模型进行修正。用修正后的模型研究了变形温度、变形速率、变形量对7085铝合金微观组织演变的影响。采用Gleeble等温压缩实验对模拟结果进行了验证。研究结果表明:该模型能很好地模拟7085铝合金热变形过程中组织的演变过程,模拟得到的平均晶粒直径和再结晶分数与组织分析统计得到的平均晶粒直径和再结晶分数变化趋势一致,可以实现对7085铝合金热变形过程中动态再结晶过程的模拟及平均晶粒直径和再结晶分数的预测,根据模拟结果可为优化热变形工艺参数提供参考。
【学位单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.21
【部分图文】：

为了降低飞机自身的结构重量，铝合金在航空工业中有广泛的应用，飞机上大约??有７０％的零件采用铝合金制造。铝合金因为具有密度低、比强度高、可焊接、成形性??好、回收率高等优点，使得铝合金成为了一种较为理想的航空制造材料［４］。图１．１是??美国铝业公司公布的铝合金锻件在Ｆ－３５上的应用，从图中可以看出，飞机关键结构??件隔板、翼梁和翼助都是采用铝合金锻件制造。铝合金制造的零件在飞机、高铁和船??舶上的应用将会越来越多，铝合金己经成为交通运输行业中不可缺少的材料之一。采??用铝合金制造的结构件具有以下几个优点：一、减重和节能效果好。铝合金的密度只??有钢的１／３，且导热性能好，表面生成的氧化膜能耐腐蚀。二、铝合金方便回收。因??为铝合金零件在使用过程中几乎不发生腐蚀，所以铝合金的回收率是很高的。因此，??、?未来铝合金市场需求巨大。下面详细介绍７ｘｘｘ系铝合金的研究现状。??１??

验材料与实验方法??研究技术路线图??通过参考７０８５铝合金实际热加工过程的工艺参数范围确定模拟和实验的工围。将７０８５铝合金铸锭经充分均匀化后机加工成热压缩试样，在不同热变进行热压缩实验。通过热压缩实验可以获得应力－应变曲线，对热压缩后的组织分析可以获得变形试样的平均晶粒直径和再结晶分数。建立初始组织生动态再结晶模型，通过组织分析统计变形前试样的平均晶粒直径，并将其输织生产模型，模拟输出变形前的初始组织。将初始组织和变形参数输入动态型，模拟热变形过程中的组织演变，并对最终的变形组织进行统计分析，得的平均晶粒直径和再结晶分数。将实验数据分为两类：一类用于修正模型，验证模型。??熔铸７０８５铝合金??

?０．１３?Ｂａｌ．??标准?０．０４?１．３－２．０?０．０８?０．０４?１．２￣１．８?０．０６?０．０６?７．０－８．０?０．０８？０．１５?Ｂａｌ．??如图２．２所示，扁锭尺寸为１７５?ｍｍ?ｘ?２５５?ｍｍ?ｘ?４０ｍｍ。由于扁锭尺寸较大，在??均匀化的过程中容易导致表面和心部受热不均匀，淬火过程中表面和心部冷却速度相??差较大。为了使试样均勾化程度更充分，在扁淀靠中间位置取①１２?ｍｍ?ｘ?２５５?ｍｍ的??长圆柱试样进行均匀化，均勾化后将其加工成①１０?ｍｍ?ｘ?１５?ｍｍ的热压缩试样。??１７５?ｍｍ?ｘ?２５５?ｎｉｍ?ｘ?４０?ｍｍ?０１２?ｍｉｎ?ｘ?２５５?ｍｉｎ?０１?〇?ｍｎｉ?ｘ?１５?ｎｉｍ??图２．２热压缩试样制备示意图??２．２．２均匀化热处理??均匀化热处理的实验设备为马弗炉，均匀化之前在扁锭中央取样做ＤＳＣ实验，??ＤＳＣ曲线如图２．３所示。起始点温度为４７２．４°Ｃ，为了防止过烧，选用的均匀化温度??为４６８?°Ｃ，均匀化时间为３６ｈ。均匀化过程中，用热电偶对炉温进行实时监控，温度??控制在４６８?°Ｃ±２?°Ｃ范围内。为了防止析出相的产生，均匀化热处理完毕后，迅速将??１４??
【参考文献】

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本文编号：2837387