大直径高强度高塑性高弹性模量铝合金研制及淬火残余应力演变规律研究

摘要

以微观组织设计为核心，采用相图—微观组织设计—工艺—性能的研究思路，进行了相图计算、相变分析及相的鉴定，为工艺设计提供了科学可靠的理论和实验依据，研制出新型大尺寸喷射沉积超高强度高弹性模量高塑性铝合金(Al-10.0Zn-3Mg-1.6Cu-0.8Ni-0.8Zr，Fe<0.1wt％，Si<0.05wt％)。 提出了优晶理论：晶粒尺寸最优(本合金是7μm)、析出相最优、固溶程度最优和这三者配合最优。以相图为基础，通过长时间多级固溶，将组织统一为单一的细小均匀的充分再结晶组织，实现最佳固溶序列和时效脱溶序列的合理匹配，实现强度、塑性和弹性模量等综合性能同步提高。 为该合金设计了全套工艺，特别是开发出独特的四级固溶工艺和三级时效工艺，对Ф150×260mm试样实现平均抗拉强度σb：770MPa，平均屈服强度σm2=730MPa，平均延伸率δ=9％，平均弹性模量E：75.5GPa。提出了理想固溶时效工艺设计理论及经验公式。合金性能整体水平达到了美国2002年最新开发的7085合金的研究水平(平均抗拉强度σb=770MPa，平均延伸率6=11％，平均弹性模量E：72GPa)。 自动化控制的关键在于确认设备之间的核心关系式及明确判别标准，可以实现喷射沉积材料的组织稳定性和最优化，大幅度提高喷射沉积材料的质量。通过研究喷射沉积工艺流程自动化控制的五个核心关系式，为喷射沉积设备全面自动化改造奠定了核心技术。 系统和全面地深入研究了淬火热应力、塑性变形、残余应力、淬火界面、试样形貌的演变规律，建立了一系列拓扑模型，发现了淬火角端效应、淬火动态薄膜效应、微观和宏观淬火塑性变形机制、塑性变形驱动力机理、应力变化规律、残余应力形成机制及分布规律、淬火塑性变形区形状变化规律和厚度对淬火残余应力影响规律等等，创立了全新的淬火残余应力研究体系，全面突破了70年代日本学者米谷茂建立的残余应力两层结构的经典模型。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1研究概述

1.2高强铝合金材料的现状与发展趋势

1.3.超高强铝合金的新型制备方法——喷射成形技术

1.4超高强铝合金的组织与性能

1.5超高强铝合金的热处理工艺

1.6高强铝合金的主要强化机制

1.7成分设计依据的高强铝合金相图

1.8本研究课题的来源、研究目的、内容及技术路线

第二章成分设计、强化相预测及分析

2.1制备工艺设计

2.2成分设计和强化相预测

2.3预计将出现的相变反应和室温时合金中的相

2.4 X射线衍射物相分析

2.5 Al-Zn-Mg-Cu-Ni-Zr合金中相的组织结构

2.6优化合金成分

2.7本章小结

第三章非平衡凝固过程中的相及相图计算

3.1相图计算和分析

3.2铸造合金的制备

3.3铸造合金的组织和分析

3.4本章小结

第四章喷射沉积组织分析及工艺智能控制核心算法研究

4.1喷射沉积合金的制备及热挤压

4.2喷射沉积合金的组织和分析

4.3喷射成形工艺智能控制核心算法理论研究

4.4本章小结

第五章喷射沉积铝合金固溶和时效处理的基础研究

5.1过烧温度的测定

5.2固溶处理对合金组织与性能的影响

5.3相与基体的匹配及固溶时相的变化

5.4原子半径差异对固溶的影响

5.5扩散对固溶过程及再结晶的影响

5.6单级时效对合金组织与性能的影响

5.7多级时效对合金组织性能的影响

5.8时效过程中相与基体之间的关系

5.9本章小结

第六章大直径喷射沉积铝合金热处理制度及优晶理论

6.1小尺寸试样和大尺寸试样的差别及研究思路的确定

6.2 ψ180mm大尺寸试样强度提升过程及组织分析

6.3 σb≥700MPa的大尺寸试样的塑性提升过程及组织性能分析

6.4大尺寸试样固溶处理过程中的组织变化及分析

6.5ψ150×150mm大尺寸新材料力学性能

6.6工业生产条件下热处理的ψ150×260mm试样组织和性能分析

6.7透射分析

6.8优晶理论和性能同步提高理论

6.9本章小结

第七章挤压过程计算机模拟及分析

7.1实验参数

7.2数值建模

7.3工件、模具和挤压筒在挤压过程中的温度场、应变场和应力场的变化。

7.4挤压速度的影响。

7.5本章小结

第八章无相变合金淬火热应力演变模型

8.1实验及模拟参数

8.2模拟及分析结果

8.3角端和边缘淬火热应力模型与淬火角端效应

8.4表层和内部淬火热应力模型及淬火动态薄膜效应

8.5淬火热应力拓扑模型及形状影响热应力规律

8.6本章小结

第九章无相变合金淬火残余应力演变规律研究

9.1空位与淬火塑性变形及残余应力之间的关系及残余应力形成机制

9.2微观淬火塑性变形机制和塑性变形驱动力机理以及应力变化规律

9.3宏观塑性变形机制与淬火残余应力分布规律

9.4淬火塑性变形区形状变化规律和厚度对淬火残余应力影响规律

9.5淬火塑性变形分布拓扑模型和淬火残余应力分布拓扑模型

9.6本章小结

第十章结论

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间主要的研究成果