等通道转角挤压（ECAP）铝合金的力学性能和断裂行为

摘要

等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing—ECAP)技术是制备超细晶金属材料的重要方法之一。本论文以铸态Al-0.63％Cu、Al-3.9％Cu和Al-2.77％Mg合金为实验材料，观察了ECAP过程合金的组织变化，系统研究了ECAP后合金的拉伸、疲劳、冲击性能以及其变形与断裂机制。 上述合金经四次ECAP后，晶粒都细化到了亚微米级别。而且，铸态Al-3.9％Cu合金中的沿晶界分布的粗大θ相被挤碎，成为了弥散分布的颗粒。因此，合金拉伸强度增加，但延伸率降低。多次挤压后，合金的静力韧度增大。Al-2.77％Mg合金ECAP四次之后在523K退火处理，得到了具有双态晶粒度的组织，提高了材料的综合力学性能。 合金的拉伸断裂显示出不同的特征。对于Al-0.63％Cu合金，随着挤压道次增多，拉伸断裂从颈缩方式转变为剪切方式。对于Al-3.9％Cu合金，铸态时表现为正断，而ECAP之后则以剪切方式断裂。铸态Al-2.77％Mg合金拉伸时发生颈缩断裂，经不同道次挤压后则显示为具有不同剪切断裂角的剪切断裂。论文中对合金的拉伸断裂机制进行了探讨。 在应变疲劳实验中，Al-0.63％Cu合金表现出明显的循环软化行为。多次ECAP处理使合金滞回环的形状系数变小，同时，使合金的包申格效应增强。疲劳后，在ECAP后合金的XZ面上出现了与循环应力轴成45°夹角的剪切带，而在XY面上，剪切带垂直于循环应力轴。研究表明，剪切带的方向和ECAP模具的剪切平面之间没有对应关系。另外，疲劳裂纹也可以在剪切带区域外出现。 在应力疲劳实验中，Al-2.77％Mg合金的疲劳寿命随着ECAP道次的增多而明显提高。ECAP一次的合金表面有沿着剪切带出现的疲劳裂纹，也有横穿过剪切带的之字形疲劳裂纹。在ECAP四道次的Al-2.77％Mg合金疲劳断口上可以看到明显的疲劳裂纹萌生区、扩展区和最后瞬断区。 ECAP处理增强了铸态Al-0.63％Cu和Al-2.77％Mg合金的冲击性能。由于Al-3.9％Cu合金中含有较多的第二相，在ECAP后其冲击性能没有提高。研究表明，合金的冲击性能和静力韧度具有一定的相关性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1金属材料强化理论

1.1.1加工硬化

1.1.2细晶强化

1.1.3固溶强化

1.1.4沉淀强化

1.2剧烈塑性变形技术介绍

1.3.ECAP技术的研究现状与发展趋势

1.3.1 ECAP变形过程及机制

1.3.2 ECAP材料的组织变化

1.3.3 ECAP材料的力学性能

1.4铝合金简介

1.4.1纯铝的基本特性

1.4.2铝合金的分类

1.4.3铝合金的强化方法

1.4.4铝合金的发展趋势

1.5本文的研究内容和意义

第二章等通道转角挤压的Al-Cu合金的拉伸性能和断裂方式

2.1引言

2.2实验材料和实验过程

2.3实验结果

2.3.1 ECAP过程合金组织的变化

2.3.2拉伸性能

2.3.3变形和断裂形貌

2.3.4拉伸断口形貌

2.4讨论

2.4.1流线组织的演变

2.4.2拉伸断裂机制

2.5 ECAP前的均匀化退火对合金性能的影响

2.6本章小结

第三章等通道转角挤压及退火后的Al-Mg合金的拉伸性能和断裂机制

3.1引言

3.2实验材料和实验方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1 ECAP及退火后合金组织的变化

3.3.2拉伸性能

3.3.3硬度和抗拉强度之间的关系

3.3.4变形和断裂形貌

3.3.5拉伸断裂机制

3.4本章小结

第四章等通道转角挤压的铝合金的疲劳行为

4.1引言

4.2实验材料和实验方法

4.3等通道转角挤压的Al-Cu合金的应变疲劳行为

4.3.1循环应力响应曲线

4.3.2形状系数和包申格效应

4.3.3循环变形和剪切带

4.3.4疲劳裂纹萌生

4.3.5疲劳断口形貌

4.4等通道转角挤压的Al-Mg合金的应力疲劳行为

4.4.1 ECAP对合金疲劳寿命的影响

4.4.2表面变形特征

4.4.3疲劳断口形貌

4.5 ECAP模具拐角形状对材料疲劳行为的影响

4.6本章小结

第五章等通道转角挤压的铝合金的冲击性能

5.1引言

5.2实验材料和实验方法

5.3等通道转角挤压的Al-Cu合金的冲击性能

5.3.1合金冲击功的变化

5.3.2冲击性能与拉伸强度和塑性的关系

5.3.3冲击断口形貌

5.3.4第二相对冲击性能的影响

5.4等通道转角挤压的Al-Mg合金的冲击性能

5.5本章小结

第六章全文总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢