汽车电池壳用3003铝合金高速变形组织与性能研究

摘要

铝合金是汽车轻量化应用的重要材料之一，3003铝合金为Al-Mn系不可热处理强化铝合金，具有比强度高、导热性好、耐腐蚀等优点，已广泛应用于汽车零部件的生产中。目前，对于3003铝合金在高速下的力学性能研究较少，也没有一个较准确的本构模型能对其在大应变速率范围的力学行为进行描述。为此，本文较为系统地研究了室温下原始态及不同轧制变形量（20%和40%）的3003铝合金在应变速率为10-3/s~1000/s时的力学性能，并建立了预测准确度较高的Johnson-Cook本构模型。利用偏光显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、透射电子显微镜等实验设备和技术，对3003铝合金的微观组织演变规律进行研究，并阐述了其与宏观力学行为之间的关联。同时，引入划痕影响系数K极差R以分析动态载荷下划痕的深度、方向对材料力学性能的影响。通过宏观断口观察，揭示了不同划痕方向试样的断裂行为，以获得较大使用范围内3003铝合金的设计、开发与应用参考。　　研究表明：原始态及轧制态3003铝合金的屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率及应变能密度均随应变速率增大而提高。随轧制变形量增加，3003铝合金的屈服强度和抗拉强度增加，延伸率减小。综合考虑应变和应变速率对流变行为的耦合影响，对J-C模型进行修正，统计学方法显示J-C修正模型的预测值与实验值相关度更高。3003铝合金从准静态（10-3/s）到高应变速率（1000/s）范围均为韧性断裂。高应变速率下断口韧窝更大、更深，密度提高。随轧制变形量增大，韧窝变浅、数量减少，剪切平面所占比例增加。透射组织显示，随变形量和应变速率的增加，位错增多，出现位错墙、位错胞及亚晶结构。　　随划痕深度增加，3003铝合金的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率均下降。随表面划痕与拉伸方向夹角增大，对试样力学性能的影响增大。划痕与拉伸方向平行的试样宏观断口出现颈缩现象，为韧性断裂；与拉伸方向成45°及垂直的划痕试样转变为剪切断裂，塑性变差。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 汽车电池壳研究现状

1.3 铝合金高速变形研究现状

1.3.1 铝合金高速变形力学行为研究

1.3.2 材料本构模型研究

1.5 材料表面划痕研究现状

1.6 课题研究目的及内容

2 实验材料与研究方法

2.1 技术路线

2.2 实验材料

2.3.1 轧制试样制备

2.3.2 划痕试样制备

2.4 动态拉伸力学性能检测

2.5 微观组织表征

2.5.1 偏光组织观察（POM）

2.5.2 扫描显微镜（SEM）分析

2.5.3 透射显微镜（TEM）分析

2.6 本章小结

3 3003 铝合金板材高速变形的力学行为与本构模型

3.1.1 应变速率对原始 3003 铝合金力学行为的影响

3.1.2 应变速率对轧制 3003 铝合金力学行为的影响

3.2 变形量对 3003 铝合金力学行为的影响

3.3.1 Johnson-Cook本构模型的建立

3.3.2 Johnson-Cook本构模型的修正

3.4 本章小结

4 3003 铝合金板材高速变形的微观组织

4.1 偏光金相显微组织

4.2 扫描电镜显微组织

4.3 透射电镜显微组织

4.4 本章小结

5 表面划伤3003 铝合金板材高速变形的力学行为

5.1 表面划伤 3003 铝合金的力学行为

5.2 表面划伤 3003 铝合金的断口形貌

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

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致谢