电脉冲对2024铝合金力学性能及微观组织影响研究

摘要

铝合金以其优异的比强度和良好的加工性成为飞行器制造领域应用最广泛的金属材料。本文针对Al-Cu-Mg系2024铝合金电脉冲处理和电塑性加工过程中电脉冲对材料微观组织和力学性能的影响问题进行了研究，完成的主要工作和取得的成果如下：
　　发现并研究了电脉冲处理引发的铝合金电脉冲回归(Electrical Pulse Retrogression，EPR)现象，确定了电脉冲处理对自然时效2024铝合金中析出相和材料强度的影响。实验发现：自然时效2024铝合金经过电脉冲处理后会回归到类似新淬火状态，即EPR现象。这一现象在电脉冲作用的短暂瞬间内即可发生，试件的温升比传统加热回归处理温度显著降低。而且，经过电脉冲处理后，材料硬度在室温下就可以逐渐恢复到接近处理前自然时效态的硬度。DSC实验和微观组织观察实验结果说明，EPR效应是由于电脉冲导致自然时效2024铝合金中亚稳态Cu-Mg溶质原子团簇发生回溶而产生的。进而，为了研究 ERP现象后的材料强度再恢复现象，基于析出动力学和微观强化理论建立了时效硬化模型。根据此模型分别得到了材料经过固溶处理和脉冲处理后的时效硬化理论结果，其与实验结果符合较好，从理论角度说明再恢复现象的微观机理与固溶处理后自然时效类似，都是由于溶质原子聚集析出形成Cu-Mg原子团簇导致的。
　　研究了电塑性变形过程中电脉冲对不同热处理状态的2024铝合金中各种微观组织的影响情况。实验发现：电脉冲对材料塑性的影响作用主要在铝合金的塑性变形阶段发挥作用，随着塑性变形量的增加而增强。在连续施加多个相同电脉冲时，第一次电脉冲产生的电塑性效应最为明显。塑性变形过程中，电脉冲对铝合金材料微观组织的作用主要表现为：减少或消除塑性变形过程中形成的高密度位错，释放材料塑性变形后的内应力；增加相界面活性，促使亚稳态析出相发生回溶，或促进新析出相在位错处形核长大；改变林位错形态，使得高密度的林位错转化为亚晶界，形成亚晶胞。
　　以工程应用为研究背景，针对电脉冲在材料加工领域的三方面应用进行了研究。首先，针对2024铝合金电塑性成形中的各种工艺参数对塑性性能的影响进行了研究。实验发现：在塑性变形过程中，电脉冲参数对材料塑性提高的影响从大到小依次为：电流密度、脉冲持续时间和脉冲间隔时间。零件截面在塑性变形过程中的变化带来的电流密度变化对材料塑性变形能力影响不显著。电塑性拉伸过程中，材料弹性变形阶段开始施加电脉冲对材料塑性变形能力影响不明显。其次，针对电脉冲处理带来的应力松弛效应进行了研究。实验发现：电脉冲处理可以使经过塑性变形的铝合金材料发生应力松弛现象，进而减小零件塑性变形后的回弹。这一效应在电脉冲首次作用时效果最为显著，并随着所施加电脉冲的电流密度和脉冲持续时间的增加而不断增强。电脉冲对材料内应力的松弛效应和回弹减小作用的微观机理为：从微观组织角度来说，电脉冲加剧材料晶格振动，促进位错运动和湮灭，削弱位错引起的晶格变形和畸变及其相应的材料内应力，从而减小零件成形后的回弹。最后，针对经过电脉冲处理或电塑性成形后2024铝合金试件耐腐蚀性能的变化情况进行了研究。实验结果表明：在包铝层的保护下，自然时效2024铝合金试件经过电脉冲处理或电塑性加工后，其耐腐蚀性不会产生明显的变化；去除包铝层保护后，经过电脉冲处理或电塑性加工的试件的耐腐蚀性稍稍降低。在包铝层的保护下，人工时效2024铝合金试件经过电脉冲处理和电塑性加工后，其耐腐蚀性变化亦不明显；去除包铝层保护后，经过电脉冲处理的试件耐腐蚀性稍有提高，而经过电塑性成形的试件的耐腐蚀性变化不明显。
　　综上，本文主要研究了电脉冲处理和电塑性加工对2024铝合金材料微观组织及力学性能的影响，对金属材料电效应的机理研究和工程应用进行了有益的探索。

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第一章 绪 论

1.1 金属材料的电效应

1.2 电流对金属材料力学性能的影响

1.3 电流对金属材料微观组织的影响

1.4 金属电效应工艺应用研究

1.5 铝合金电效应研究关键问题

1.6 本文主要研究内容及意义

1.7 论文章节安排

第二章 电脉冲处理对2024铝合金析出相的影响及电脉冲回归

2.1 引言

2.2 铝合金的析出强化

2.3 铝合金的电脉冲回归(EPR)现象

2.4 电脉冲处理对PLC效应的影响

2.5 本章小结

第三章 电脉冲处理后再时效硬化模型

3.1 引言

3.2 时效析出模型

3.3 自然时效2024铝合金强化模型

3.4 电脉冲处理后硬度恢复效应实验验证

3.5 本章小结

第四章 电脉冲在塑性成形过程中对2024铝合金微观组织的影响

4.1 引言

4.2 塑性变形过程中金属微观组织变化特点

4.3 不同塑性变形阶段电脉冲作用效果

4.4 电脉冲施加数量和作用时机对铝合金塑性变形显微组织的影响

4.5 电脉冲对不同热处理状态铝合金微观组织的影响

4.6 本章小结

第五章 电脉冲参数对2024铝合金电塑性行为的影响

5.1 引言

5.2 电脉冲参数对材料电塑性性能的影响

5.3 塑性变形导致的电流密度变化对塑性行为的影响

5.4 脉冲开始施加时机对塑性性能的影响

5.5 脉冲处理对材料塑性恢复的影响

5.6 本章小结

第六章 电脉冲处理引起的铝合金应力松弛效应

6.1 引言

6.2 实验装置及方法

6.3 电脉冲参数与弯曲回弹减小的关系

6.4 电脉冲处理减小回弹的机理

6.5 本章小结

第七章 电脉冲对2024铝合金耐腐蚀性的影响

7.1 引言

7.2 铝合金的腐蚀类型及其机理

7.3 实验装置和方法

7.4 电脉冲对自然时效2024铝合金耐腐蚀性的影响

7.5 电脉冲对人工时效2024铝合金耐腐蚀性的影响

7.6 本章小结

第八章 总 结

8.1 研究总结

8.2 论文主要创新点

参考文献

攻读博士期间发表论文及参与科研情况

致谢

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