形变时效组合工艺对7N01铝合金力学性能及微观结构的影响

摘要

与传统钢铁材料相比，铝合金在一定的制备工艺和热处理条件下可以达到普通钢材的强度，但重量只有普通钢材的一半不到，是目前国产大飞机和高速列车等交通工具和国防装备重要的轻量化材料。中高强度7xxx系Al-Zn-Mg铝合金具有可自然时效强化，成型性好，对裂纹敏感性低，耐腐蚀，比强度高，并且具有优良的焊接性能等优点，被作为轻量化结构材料广泛应用于高速列车底架等受力部位，其中最具有代表性的为7N01铝合金，是目前轨道列车上应用最多的7xxx系铝合金，在国家轨道交通发展建设中占有至关重要的地位。由于实际应用中不断提高对轨道列车的速度及安全性要求，因此对材料的性能也提出了更高的要求，如何在保持塑性的情况下提高其强度是目前实际工业生产和应用中急需解决的问题。
　　本课题以形变时效组合工艺为主线，通过控制形变时效工艺中的工艺参数，预时效处理（无时效、自然时效和人工时效）、轧制变形量(20％、40％、60％、80％)及后续时效工艺(80℃、100℃、120℃、140℃、160℃)，来探讨形变时效组合工艺对7N01铝合金的影响。本文借助性能测试（硬度测试和拉伸性能测试）和材料显微结构表征手段(扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)技术、差示扫描量热分析(DSC)和透射电子显微镜(TEM)等手段来研究形变时效工艺对7N01铝合金力学性能和微观结构的影响。主要研究结果如下:
　　(1)通过适合的预时效处理，7N01铝合金在形变时效处理后不仅强度可以超过对应的T6峰值时效处理合金，而且能够保持良好的延展性。其原因是形变时效工艺通过在后续时效前的形变引入大量位错，增加了后续再时效析出的形核位置，使得基体内析出相尺寸较T6态合金的细小，加上形变引入的位错强化作用，使得形变时效合金的综合性能比T6态更好。
　　(2)对7N01铝合金，在形变时效组合工艺中采用过大的变形量反而不利于优化材料力学性能，随着变形量的增加，合金的强度和延伸率呈降低趋势。通过变形引入的位错会对后续时效强化中纳米析出相颗粒的种类、尺寸和分布等产生关键作用，从而影响材料最终的综合力学性能。形变量越大，引入的位错等缺陷越多，后续人工时效时析出相的形核与长大也相比于小变形状态更加迅速，同时，大变形合金在时效后的位错组态也与小变形有明显区别。
　　(3)选择合适的后续再时效温度和时间可以优化合金的综合性能，在高于120℃时效时，时效温度过高，析出相粗化速率和位错退化速率过快，使得合金性能快速下降。在低于100℃时效时，时效温度过低，时效析出响应过慢，强度提升速度较慢。利用后续人工时效温度调控析出相析出速率以及位错退化速率，使两者恰当结合可以使合金综合性能显著提高。
　　(4)形变时效工艺中，预处理状态不同导致合金基体内的元素偏聚有差异，使得同样变形条件下位错的存在形式以及位错含量不同，从而影响合金在后续高温退火时的再结晶晶粒组织。

目录

声明

摘要

插图附录

第1章 绪论

1．1 7xxx系铝合金概述

1．1．1 铝及铝合金

1．1．2 7xxx系铝合金的分类及应用

1．2 7xxx系铝合金的析出相与强化机制

1．2．1 7xxx系铝合金的析出相和析出序列

1．2．2 7xxx系铝合金的强化机制

1．3 高强铝合金的制备方法

1．3．1 通过合金元素设计来调控析出相

1．3．2 通过热处理来调控析出相

1，3．3 通过大变形来调控微观组织

1．3．4 通过形变时效结合工艺来调控显微结构

1．4 形变时效工艺概述

1．4．1 形变时效工艺的发展

1．4．2 形变时效工艺研究中存在的问题

1．5 论文的研究目的和主要内容

第2章 实验过程及研究方法

2．1 实验材料

2．2 实验工艺过程

2．3 实验仪器与设备

2．4 主要实验设备的原理及应用

2．4．1 显微硬度测试

2．4．2 拉伸性能测试

2．4．3 环境扫描电子显微镜观察和电子背散射衍射技术

2．4．4 透射电子显微镜

第3章 形变时效工艺与传统T6处理对7N01铝合金力学性能和显微结构影响的对比研究

3．1 引言

3．2 实验热加工工艺过程

3．3 传统时效处理7N01铝合金的力学性能和显微结构

3．3．1 时效硬化曲线

3．3．2 拉伸力学性能测试

3．3．3 合金峰值时效状态的TEM表征

3．4 形变时效组合工艺处理7N01铝合金的力学性能与显微结构

3．4．1 预时效及变形后合金的力学性能

3．4．2 不同预处理合金的再时效硬度曲线

3．4．3 不同预处理合金的再时效拉伸力学性能测试

3．5 形变时效组合工艺与传统时效工艺对7N01铝合金综合性能的影响对比

3．5．1 两种工艺处理合金的硬度曲线对比

3．5．2 两种工艺处理合金的拉伸力学性能对比

3．5．3 两种工艺处理合金的断口形貌对比

3．5．4 两种工艺处理合金的显微结构对比

3．6．本章小结

第4章 形变时效工艺中变形量及后续时效温度、时间对7N01铝合金力学性能与显微结构的影响

4．1 引言

4．2 实验热加工流程

4．3 变形量对形变时效工艺制备的7N01铝合金的影响

4．3．1 不同变形量处理后合金硬度曲线对比

4．3．2 不同变形量处理后合金拉伸力学性能对比

4．3．3 不同变形量处理后合金显微结构对比

4．4 再时效温度对形变时效工艺制备的7N01铝合金的影响

4．4．1 在不同后续再时效温度下合金硬度曲线对比

4．4．2 在不同后续再时效温度下合金拉伸力学性能曲线对比

4．5 再时效时间对形变时效工艺制备的7N01铝合金的影响

4．5．1 不同再时效时间处理后合金拉伸力学性能曲线对比

4．5．2 不同再时效时间的合金显微结构对比

4．8 本章小结

第5章 预时效对冷轧7N01铝合金后续高温退火晶粒组织的影响

5．1 引言

5．2 热加工工艺过程

5．3 实验结果

5．3．1 不同预时效处理合计冷轧后高温退火硬度曲线对比

5．3．2 不同预时效处理合金冷轧后高温退火的晶粒组织

5．3．3 不同预时效处理合金显微结构对比

5．3．4 不同预时效处理合金形变后DSC曲线对比

5．4 分析讨论

5．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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