含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金热模拟与热处理研究

摘要

采用活性熔剂保护熔炼，水冷铜模激冷铸造技术制备出一种含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金铸锭。该合金铸锭经均匀化、热轧、冷轧成2.3mm的薄板材。采用Gleeble-1500热模拟实验研究了合金在380-470℃温度和10-3_10s-1应变速率范围内的热压缩变形行为，用差热分析（DSC）、硬度和电导率测试方法，室温拉伸、金相（OM）和电子显微分析方法（TEM、SEM）研究了合金在不同热处理工艺条件下的力学性能、显微组织结构及其变化规律。结果表明： （1）合金高温压缩变形时的流变应力取决于变形温度和应变速率。流变应力先随应变速率增加迅速升高，达到应力峰值后逐渐下降，随后趋于稳态流变。流变应力随变形温度升高而降低，随变形速率的提高而增大。 （2）合金高温变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。该合金的高温变形材料常数为：应力指数n=7.16，应力水平参数α=0.013，结构因子A=4.71×1010，变形激活能Q=162.1KJ/mol。该合金热压缩变形的流变应力方程为：ε=5.952×108[sinh（0.021σ）]1/5.397 exp[-157900/RT] （3）合金在相同的应变速率下，410℃以下主要为动态回复过程，440℃时则发生了部分动态再结晶；在相同的变形温度下，随应变速率降低动态再结晶的程度加深。合金随应变速率降低和变形温度升高，亚晶尺寸变大，合金由动态回复向动态再结晶转变，其主要软化机制是动态回复伴随动态再结晶。合金合宜的热加工温度范围为380-410℃。 （4）合金最佳单级固溶处理制度为475℃/40min，经120℃/24h时效处理后，合金的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和延伸率δ分别达到676MPa、623MPa和8.1％。 （5）合金最佳双级固溶处理制度为465℃/40min+490℃/30min，双级固溶能有效地减小合金中粗大的过剩相，使组织更均匀，增加淬火后固溶体的过饱和度，提高了合金的时效强化效果。与单级固溶相比，合金抗拉强度提高了18MPa，屈服强度提高了28 MPa，而塑性基本保持不变。 （6）合金固溶时效后的断裂属第二相引起的晶内断裂与晶界断裂的混合型断裂，双级固溶后的晶界断裂增加，断口韧窝第二相粒子减少，可以避免粗大第二相颗粒引起的晶粒过早断裂，使晶粒变形趋于均匀。 （7）双级固溶后合金合宜的单级时效工艺为120℃/24h，在此工艺条件下，合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为694MPa、651MPa、7.9％、199HV和24.5％IACS；合宜的双级时效工艺为120℃/8h+160℃/16h，经此双级时效后，合金的σb、σ0.2、δ、硬度和电导率分别为628MPa、571MPa、8.9％、176HV和34.5％IACS。与单级时效相比，强度和硬度有所损失，电导率提高了10％IACS，表明合金抗应力腐蚀性能有了较大改善。 （8）RRA处理过程中，回归温度和时间对合金性能影响很大。合宜的RRA处理工艺为120℃/24h预时效+180℃/30min回归+120℃/24h再时效。在此条件下，合金的σb、σ0.2、δ和电导率分别为687MPa、648MPa、7.4％和30.2％IACS。与单级时效比较，强度基本不变，而电导率和抗应力腐蚀性能提高。 （9）合金经单级时效后，晶内观察到大量弥散分布的η'相，晶界处基本为连续的平衡相；合金经双级时效后，晶内组织有所粗化，晶界上分布着断续状析出相，伴之以无沉淀析出带；合金经RRA处理后，晶内为均匀细小的η'相和少量的η平衡相，晶界处的平衡相粗化较明显，呈断续、孤立分布，无沉淀析出带较单级时效变宽，其晶内析出相与单级时效类似，晶界结构与双级时效类似。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1超高强铝合金的研究状况

1.1.1国外Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究和发展

1.1.2国内Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究和发展

1.1.3含Sc铝合金的研究和发展

1.2超高强铝合金的合金化

1.2.1主合金元素

1.2.2微量元素

1.2.3杂质元素

1.3超高强铝合金的组织与性能

1.3.1沉淀顺序及沉淀相

1.3.2微观组织结构与性能

1.4超高强铝合金的热处理

1.4.1均匀化处理

1.4.2固溶处理

1.4.3时效处理

1.5本文的研究目的与主要内容

第二章合金制备和实验方法

2.1合金的制备

2.1.1合金的成分设计和配料

2.1.2合金熔炼与铸造

2.1.3铸锭均匀化

2.1.4热加工模拟

2.1.5轧制

2.1.6固溶处理

2.1.7时效处理

2.2性能测试

2.2.1差热分析

2.2.2拉伸力学性能测试

2.2.3电导率测试

2.3显微组织观察

2.3.1金相显微组织观察

2.3.2扫描电镜观察和能谱分析

2.3.3透射电镜样品制备和观察

第三章含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的热模拟研究

3.1高温热变形流变特性的研究

3.1.1应力-应变本构方程基本理论

3.1.2高温压缩真应力-真应变曲线

3.1.3变形条件与合金流变应力的关系

3.2变形条件对合金显微组织的影响

3.2.1金相组织

3.2.2 透射电子显微组织

3.3分析与讨论

3.3.1变形条件对流变应力的影响

3.3.2变形过程中的组织演变

3.4本章小结

第四章含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的固溶处理研究

4.1单级固溶工艺的研究

4.1.1合金差热分析

4.1.2单级固溶温度对合金组织与性能的影响

4.1.3单级固溶时间对合金组织与性能的影响

4.2双级同溶工艺的研究

4.2.1正交实验

4.2.2极差分析

4.2.3最优双级固溶工艺

4.2.4验证实验结果

4.2.5双级固溶金相组织观察

4.2.6双级固溶扫描电镜观察

4.2.7双级固溶透射电镜观察

4.2.8双级固溶断口形貌

4.3分析与讨论

4.3.1单级固溶对合金组织与性能的影响

4.3.2双级固溶对合金组织和性能的影响

4.3.3双级固溶对合金断裂行为的影响

4.4本章小结

第五章含Sc超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的时效处理研究

5.1单级时效处理合金的组织与性能

5.1.1单级时效对合金硬度的影响

5.1.2单级时效对合金力学性能的影响

5.1.3单级时效对合金组织的影响

5.2双级时效处理合金的组织与性能

5.2.1正交实验结果

5.2.2极差分析结果

5.2.3最优双级时效工艺确定

5.2.4实验结果验证

5.2.5双级时效显微组织

5.3 RRA处理合金的组织与性能

5.3.1回归温度对合金性能的影响

5.3.2 回归时间对合金性能的影响

5.3.3 RRA 工艺优化

5.3.4RRA处理的显微组织

5.4分析与讨论

5.4.1单级时效对合金组织与性能的影响

5.4.2双级时效对台金组织与性能的影响

5.4.3 RRA处理对合金组织与性能的影响

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

附录