2124铝合金蠕变时效行为的试验研究与本构建模

摘要

随着现代航空航天事业的迅猛发展，对飞机性能的要求越来越高，许多主承力构件如飞机的接头、大梁、隔板、翼框等广泛采用整体化结构设计。蠕变时效成形技术是为制备大型整体壁板类构件而发展起来的一项新技术。目前，该技术被认为是下一代大型飞机特别重要的金属成形工艺之一，在我国大型军用运输机、大型客机等“大飞机”项目的研制中将具有广泛的应用前景。
　　 在国外，蠕变时效成形技术于二十世纪八十年代中期已用于飞机机翼壁板的生产中，并取得显著的成果，但在国内至今尚未得到工程化应用，主要原因是缺乏必要的基础研究和技术储备。航空航天应用最多的变形铝合金是2000系和7000系铝合金。由于2124铝合金具有较好的韧性和抗疲劳性能，特别适用于中温下对强度和稳定性有高要求的部位，故本文以2124铝合金为研究对象，系统地研究了不同工艺参数下的单轴拉伸蠕变时效对合金组织性能的影响，探索了合金的蠕变机制，并建立了合金的蠕变本构模型。主要的研究内容和结果如下:
　　 (1)对比分析了应力作用下的蠕变时效和无应力作用下的常规时效对2124铝合金组织与性能的影响，发现应力作用下的蠕变时效不仅加快了合金的时效进程，缩短了合金达到峰值时效的时间，而且提高了合金的峰值强度;应力作用下的蠕变时效，合金内未发现析出相沿某一方向择优析出，即未观察到明显的应力位向效应，该研究工作为2124铝合金整体壁板蠕变时效成形技术在工业方面的应用提供了理论支撑。
　　 (2)系统地研究了时效温度(185、190和195℃)、时效时间(1～12h)和试验应力(200、225和250MPa)等工艺参数对2124铝合金蠕变行为、组织及性能的影响。研究结果表明:
　　 ①在一定的试验参数条件下，2124铝合金的蠕变行为表现出典型蠕变曲线的第一、第二阶段特征，即同时存在减速蠕变阶段和恒速蠕变阶段;时效温度、时效时间和试验应力等工艺参数是影响2124铝合金蠕变行为的重要因素，随时效温度、时效时间或试验应力的增加，合金的蠕变行为增强。
　　 ②在相同的时效时间和试验应力条件下，随时效温度的升高，合金的性能呈现一定的变化趋势。试验应力较低(200MPa)时，随时效温度的升高合金的强度先增加后减小，而延伸率逐渐下降;试验应力较高(225MPa、250MPa)时，随时效温度的升高合金的强度和延伸率逐渐下降。
　　 ③在相同的时效温度和试验应力条件下，随着时效时间的延长，2124铝合金在蠕变时效过程中出现了典型的三个时效阶段:欠时效阶段、峰值时效阶段和过时效阶段，合金在时效8h的性能最好，此时合金内的主要析出强化相是S

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 2124铝合金的研究现状

1．2．1 2124铝合金在国外的研究现状

1．2．2 2124铝合金在国内的研究现状

1．2．3 2124铝合金在工业上的成熟应用

1．2．4 2124铝合金研究现状的局限性

1．3 铝合金的强化机制

1．3．1 固溶强化

1．3．2 形变强化

1．3．3 细晶强化

1．3．4 第二相粒子强化

1．4 蠕变时效成形国内外研究现状

1．4．1 蠕变时效成形工艺

1．4．2 蠕变时效成形技术的优点

1．4．3 蠕变时效成形技术的应用现状

1．4．4 蠕变时效成形机理

1．4．5 应力对时效析出行为影响的研究现状

1．4．6 蠕变本构模型的研究现状

1．5 本课题的研究内容及意义

1．5．1 本课题的研究内容

1．5．2 本课题的研究意义

1．6 本章小结

第二章 2124铝合金蠕变时效工艺试验研究

2．1 试验材料与试验方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 热处理工艺

2．1．3 材料组织性能测试方法

2．2 应力作用下的蠕变时效与无应力时效的对比研究

2．2．1 时效硬化曲线

2．2．2 室温拉伸力学性能

2．2．3 透射电镜观察

2．2．4 外加应力对2124铝合金力学性能的影响

2．3 时效温度对2124铝合金成性行为的影响

2．3．1 时效温度对2124铝合金蠕变行为的影响

2．3．2 时效温度对2124铝合金时效硬化行为的影响

2．3．3 时效温度对2124铝合金力学性能的影响

2．3．4 时效温度对2124铝合金显微组织的影响

2．4 时效时间对2124铝合金成性行为的影响

2．4．1 时效时间对2124铝合金蠕变行为的影响

2．4．2 时效时间对2124铝合金时效硬化行为的影响

2．4．3 时效时间对2124铝合金力学性能的影响

2．4．4 时效时间对2124铝合金显微组织的影响

2．5 试验应力对2124铝合金成性行为的影响

2．5．1 试验应力对2124铝合金蠕变行为的影响

2．5．2 试验应力对2124铝合金时效硬化行为的影响

2．5．3 试验应力对2124铝合金力学性能的影响

2．5．4 试验应力对2124铝合金显微组织的影响

2．6 本章小结

第三章 2124铝合金蠕变机制分析

3．1 金属的蠕变行为

3．1．1 蠕变曲线

3．1．2 蠕变机制

3．2 蠕变表观应力指数和表观激活能

3．2．1 蠕变表观应力指数的确定

3．2．2 蠕变表观激活能的确定

3．3 2124铝合金蠕变机制的确定

3．4 本章小结

第四章 蠕变时效本构建模

4．1 简单蠕变本构方程

4．2 数值建模理论

4．2．1 反问题理论概述

4．2．2 基于反问题理论的数值建模基本步骤

4．2．3 反问题数值建模基本框架

4．2．4 数值建模方法的优越性

4．3 数值优化算法

4．3．1 粒子群算法

4．3．2 粒子群算法的优越性

4．4 蠕变本构建模

4．4．1 蠕变本构方程的确定

4．4．2 蠕变材料常数的确定

4．4．3 蠕变拟合曲线与试验曲线的比较

4．4．4 蠕变本构模型的验证

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果