2A14铝合金蠕变校形工艺数值模拟及实验研究

摘要

由于航空航天技术领域对精密构件形位精度要求较高，在对工件进行校形的过程中为了保证工件的尺寸稳定性，必须降低工件内部的残余应力。蠕变校形的工艺方法可以在较小的反变形量和较低的应力下对工件进行校形，同时降低工件内部的残余应力。
　　在蠕变校形工艺过程中，对工件加载使其产生变形，并在高温下发生应力松弛，由于预变性量小，加载应力小，材料内部的一部分弹性变形转化为塑性变形后，仍会残留大量的弹性变形，这部分变形在卸载后会发生弹性恢复，形成回弹。对蠕变校形技术的设计主要是对工件的回弹进行预测和控制，这也一直是困扰蠕变校形技术发展的一个难题。利用有限元方法建立蠕变校形过程的有限元模型，对蠕变校形进行工艺设计，是解决这一问题的有效手段。
　　本文通过对人工时效态的2A14铝合金进行系列的蠕变试验，研究了蠕变温度和蠕变应力对其蠕变行为的影响，温度一定时蠕变应力的对数与蠕变应变速率对数成正比，其斜率为应力指数n，本文得到2A14-T6铝合金在140℃到200℃的温度范围内的应力指数n值在2~4之间，表明蠕变的变形方式为位错粘性滑移。温度对蠕变的影响可以用阿伦纽斯方程描述，对于相同蠕变应力，蠕变速率的对数与温度的倒数呈线性关系，通过对阿伦纽斯方程的计算得到2A14-T6铝合金在180MPa的蠕变应力下，蠕变的表观激活能计算值为93kJ/mol，与铝合金晶界扩散激活能相近，说明蠕变变形中的扩散途径为晶界扩散。通过对蠕变曲线的分析计算，建立了2A14-T6铝合金在不同温度下的蠕变本构方程。并通过建立以这个本构方程为基础的拉伸蠕变试验的有限元模型，对比了模拟结果与蠕变实验的蠕变应变结果的误差最大为10.5％，而绝对误差仅为4.7×10-4，说明得到的本构方程能够准确描述2A14-T6铝合金的蠕变行为。
　　在蠕变本构模型的基础上，本文建立了模拟蠕变校形工艺的有限元模型，结合测量得到的蠕变校形过程的升温曲线，建立了温度场有限元模型。为了验证模型的正确性，本文对3mm厚人工时效态2A14铝合金板材进行了不同温度和保温时间下的蠕变成形试验。通过测量成形回弹后板材的曲率半径和表面应力，实现模型对回弹率的模拟误差可以控制在15%以下。通过对不同工艺参数蠕变成形板材EBSD晶粒取向差统计分析，研究了蠕变成形过程中板材的变形机制，发现成形初期的应力快速松弛阶段的变形机制为位错的粘性滑移，而在后期应力松弛明显减慢，变形机制为晶界扩散蠕变，并存在位错的动态回复。
　　最后，对0曲率2A14铝合金板材蠕变校形到2000mm曲率半径的校形进行工艺设计，并进行了实验验证，设计偏差为10.25%，满足工程对校形误差的要求。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的

1.2结构件加工变形特点及校形方法研究

1.3蠕变校形工艺及其研究现状

1.4蠕变校形有限元模拟技术

1.5 本文研究内容

第2章 试验材料和试验方法

2.1试验材料

2.2实验方法

第3章 2A14铝合金蠕变行为及本构方程的建立

3.1引言

3.2 2A14铝合金蠕变行为特点及影响因素

3.3 2A14铝合金蠕变本构方程的建立

3.4拉伸蠕变试验有限元建模及本构模型验证

3.5本章小结

第4章 2A14铝合金板材蠕变校形行为与有限元模拟

4.1引言

4.2 2A14铝合金板材蠕变成形规律及机制

4.3 2A14铝合金蠕变成形机理讨论

4.4蠕变成形过程有限元建模

4.5基于有限元模型的蠕变校形设计及验证

4.6本章小结

结论

参考文献

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致谢