7000系铝合金淬透性理论研究及Mg、Zr和Cu对7000系超高强轧制材铝合金组织和性能的影响

摘要

7000系铝合金从研发之初到现在,因为其优异的性能,一直被广泛的应用于各行各业。对于7000系铝合金的研发和研究也一直是国内外金属领域的热点。由于航空航天和汽车领域的应用,大型化的结构件不仅要求铝合金具有较高的强度,高塑性,还要求铝合金具备良好的淬透性。本文以自行研发的8种7000系超高强轧制材铝合金为实验材料,采用控制变量法,探究了Mg、Cu和Zr对7000系超高强轧制材铝合金组织与性能的影响,初步探究了影响7000系铝合金淬透性的主要因素。采用的主要性能检测方法有:硬度测试、拉伸测试、晶间腐蚀试验、剥落腐蚀试验和端淬试验。采用的主要组织与微结构检测方法有:XRD、金相观察、EBSD、电镜观察和能谱分析。　　主要研究工作及主要结论如下:　　(1)采用端淬实验、电镜观察和能谱检测的方法,研究了影响7000系铝合金淬透性的主要因素。结果表明,影响7000系铝合金淬透性的主要因素有Mg元素、Zn/Mg、Zn+Mg+Cu、Zr元素含量、Si元素含量以及合金主合金元素Zn、Mg和Cu的原子半径差总和?R(原子体积差总和?V)。Zr、Si以及高原子半径差总合?R(原子体积差总和?V)都会降低合金的淬透性。定性分析显示,当Zr和Si含量较高时,即使合金的原子半径差总和较小,合金也无法保持很好的淬透性;当Zr和Si含量较低时,即使合金原子半径差总和较高,合金也能保持很好的淬透性。要提高合金淬透性,既需要降低合金的原子半径差总和,也要控制合金中Zr含量和Si含量在较低的水平。标准多元线性回归法定量分析显示,影响7000系高合金化铝合金淬透性的因素按影响作用大小依次为Mg>?R(?V)>Zn/Mg>Zn+Mg+Cu>Si>Zr>Fe。其中Mg、Zn/Mg和Fe对7000系铝合金淬透性有利,?R(?V)、Zn+Mg+Cu、Si和Zr对7000系铝合金淬透性有害。　　(2)开发了综合性能优异的3种成分为Al-8.95Zn-x Mg-1.18Cu-0.44Zr的7000系铝合金,Mg元素含量分别为2.57%、2.21%、1.89%。研究了Mg对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响。结果表明,Mg元素含量为2.21%时,合金综合性能最好,T6、T76时效态强度高达651.7MPa、645.6MPa,同时具备较好的塑性,延伸率分别为10.7%,15.4%,单端淬透深度高达85mm。Mg元素有显著促进再结晶,降低位错和小角度晶界强化的效果,也能提高合金的固溶时效沉淀强化。同时Mg元素能改善因为热压和轧制被压扁拉长的晶粒的形状,使扁长状晶粒向等轴晶转变,从而提高轧制材合金的抗剥落腐蚀性能,但会降低合金的抗晶间腐蚀性能。　　(3)开发了综合性能优异的3种成分为Al-8.86 Zn-2.33Mg-1.79 Cu-x Zr的7000系铝合金,Zr元素含量分别为0.382%、0.462%、0.573%。研究了Zr对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响。结果表明,Zr元素含量为0.382%时,合金综合性能最好,T6、T76时效态强度高达649.9 MPa、650.8 MPa,延伸率分别为6.2%,7.6%,单端淬透深度高达105 mm。Zr元素有抑制再结晶,细化晶粒,提高位错和小角度晶界强化的效果,但会降低合金的固溶时效沉淀强化效果。当Zr元素含量大于0.382%时,Zr会降低合金的强度,而且因为其抑制再结晶,使得热压和轧制被压扁拉长的晶粒的形状很难向等轴晶转变,所以合金的抗晶间腐蚀和抗剥落腐蚀性能也会变差。　　(4)开发了综合性能优异的两种成分为Al-8.44 Zn-1.8Mg-x Cu-0.148Zr的7000系铝合金,Cu元素含量分别为1.28%和2.36%。研究了Cu元素对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响。结果表明,Cu元素含量为2.36%时,合金综合性能最好,T6、T76时效态强度高达648.0 MPa、615.2 MPa,延伸率分别为16.4%,19.3%,单端淬透深度高达120 mm。Cu元素具有促进再结晶的效果,同时能显著提高合金的小角度晶界比例,提高合金的小角度晶界强化效果,从而提高合金的塑性加工硬化能力。Cu元素能显著提高合金的固溶时效沉淀强化效果,从而进一步提高合金的强度,还能提高合金的塑性。除此之外,Cu元素还能提高合金的抗晶间腐蚀性能,但是会削弱合金的抗剥落腐蚀性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 本文研究背景

1.2 7000系铝合金的发展概况

1.3 7000系铝合金合金化机理

1.4 7000系铝合金的主要强化机制

1.5 7000系铝合金的主要强化工艺

1.6 7000系铝合金淬透性研究

1.7 7000系铝合金的腐蚀类型

1.8 本文研究目的与内容

1.9 本章小结

第二章 合金的制备与实验及检测方法

2.1 合金的成分设计与制备

2.2 合金性能测试

2.3 合金组织结构分析

2.4本章小结

第三章 影响7000系超高强铝合金淬透性的因素

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 实验结果

3.4 分析讨论

3.5 本章小结

第四章 Mg对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 试验结果

4.4 分析讨论

4.5 本章小结

第五章 Zr对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果

5.4 分析讨论

5.5 本章小结

第六章 Cu对7000系超高强轧制铝合金组织性能的影响

6.1 引言

6.2 实验方法

6.3 实验结果

6.4 分析讨论

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作小结

7.2 本文主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果

一、学术论文

二、专利

三、参与项目