大飞机2024铝合金厚板热处理工艺及热轧模拟研究

摘要

本论文研究了大飞机2024铝合金厚板均匀化处理、热处理制度、预拉伸处理对组织与性能的影响及2024铝合金厚板热轧过程温度场、应力场有限元模拟。主要实验方法:室温拉伸性能测试、硬度测试、金相组织观察、透射电镜观察(TEM)、扫描电镜观察(SEM)和DSC测试、热模拟、ABAQUS有限元模拟。分析得到结论如下:
　　 (1)铸态2024铝合金厚板存在严重的元素偏析现象，主要元素偏析程度由大到小依次为:Cu、Mg、Mn。晶界处有大量非平衡相Al2Cu相与Al2CuMg相。
　　 (2)结合均匀化动力学曲线和实验得到2024铝合金厚板适宜均匀化制度为495℃/24h，用此工艺处理后，铸锭中非平衡相溶解，合金元素分布趋于均匀。
　　 (3)热处理制度极大的影响2024铝合金厚板性能与组织，其主要强化相为S′相和θ′相。采用固溶制度:490℃/80min、时效制度:185℃/12h，可获得最佳力学性能，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为428MPa、325MPa和16％。
　　 (4)对2024铝合金厚板进行预拉伸量分别为:1％、1.5％，2％、2.5％、3％的预拉伸处理，合金自然时效峰值时效时间延长。
　　 (5)预拉伸处理及未预拉伸处理合金自然时效时组织均为:欠时效阶段合金中的析出相为GP区及T相;峰时效阶段，GP区转变为短棒状的S″相，合金中的析出相为S″相及T相，使合金具有最高强硬度;过时效阶段，S″相及T相粒子粗化，并且T相粒子回溶。
　　 (6)自然时效状态下，预拉伸2％处理后的合金强塑性高，这是因为形变强化使合金的σb相对较高，GP区强化使合金的σ0.2相对较低，则预变形2％合金的屈强比(σ0.2/σb)比较低。
　　 (7)2024铝合金为正应变速率敏感材料。当应变速率相同时，其真应力随着变形温度的增大而减小;当变形温度相同时，其真应力随着应变速率的增大而增大。高温压缩变形时，2024铝合金应变速率与变形温度对流变应力影响强烈，用双曲正弦形式Arrhenius关系表述其流变应力行为，得到2024铝合金的材料常数:A=0.01611s-1、n=4.23742、Q=144.67KJ/mol、a=0.0145Mpa-1。
　　 (8)结合热模拟所得材料常数，对2024铝合金厚板热轧过程进行有限元模拟，得到结论:轧制过程中，合金表面温度变化剧烈，内部温度不断升高;沿轧制方向，等效应力值接触变形区较未咬入区及轧后区都高;沿厚度方向，内部应力值比外部大，合金内部存在拉伸效应。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 Al-Cu-Mg合金研究状况和发展

1．1．1 Al-Cu-Mg合金国际发展情况

1．1．2 Al-Cu-Mg合金国内发展情况

1．2 2024铝合金热处理

1．2．1 固溶温度的影响

1．2．2 淬火过程因素的影响

1．2．3 时效过程的影响

1．2．4 合金元素的影响

1．3 形变热处理

1．3．1 形变热处理特点

1．3．2 形变热处理的应用

1．4 有限元模拟

1．4．1 中厚板平面形状控制的现状

1．4．2 轧制过程有限元模拟

1．4．3 中厚板平面形状控制存在的问题

1．5 本文研究目的和内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．2．1 显微硬度测试

2．2．2 室温拉伸性能测试

2．2．3 DSC曲线测试

2．2．4 金相组织观察

2．2．5 扫描电镜观察

2．2．6 透射电镜观察

2．2．7 热模拟实验

2．2．8 有限元模拟实验

第三章 热处理工艺对2024铝合金组织和性能的影响

3．1 引言

3．2 均匀化处理对2024铝合金组织和性能的影响

3．2．1 铸态合金DSC曲线

3．2．2 均匀化前后SEM观察

3．2．3 均匀化前后合金的XRD物相组织

3．2．4 分析与讨论

3．3 2024铝合金热轧厚板热处理制度

3．3．1 热轧态DSC曲线

3．3．2 固溶制度对性能和组织的影响

3．3．3 时效制度对性能和组织的影响

3．3．4 分析与讨论

3．4 预拉伸处理对2024铝合金性能和组织的影响

3．4．1 硬度测试

3．4．2 拉伸力学性能测试

3．4．3 金相组织

3．4．4 断口扫描

3．4．5 TEM观察

3．4．6 XID物相组织

3．4．7 分析与讨论

3．5 本章小结

第四章 2024铝合金热模拟及有限元模拟实验

4．1 引言

4．2 热模拟实验

4．2．1 高温压缩条件下真应力-真应变曲线

4．2．2 建立本构方程

4．2．3 金相组织

4．2．4 分析与讨论

4．3 有限元实验

4．3．1 咬入条件

4．3．2 几何模型

4．3．3 边界条件

4．3．4 实验结果

4．3．5 分析与讨论

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间主要研究成果