温变形对可热处理强化铝合金结构和性能的影响

摘要

可热处理强化铝合金具有优异的综合性能，是交通工具上常用的轻质结构材料。目前新能源汽车、高速列车等先进的交通工具发展迅速，对所使用的铝合金的性能要求不断提高。可热处理强化铝合金经过时效产生的析出相及其在晶粒内部和晶界的分布对合金的力学性能和耐蚀性能有很大的影响。塑性变形和热处理相结合的形变热处理工艺可以通过引入位错、细化晶粒和产生析出相来充分挖掘铝合金的强化潜力，是一种很有应用前景的加工方法。但是形变热处理过程中的变形行为和析出行为相互作用，使微观结构演变相当复杂，人们对这方面的认识尚未清楚，导致合金在加工后难以获得理想的性能。在产生析出相的温度下进行温变形，对析出相的分布和晶粒组织都有重要的影响。因此，研究温变形在形变热处理中的作用，对于优化微观结构，进而提升合金性能有着重要意义。本文以Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si三种典型的可热处理强化铝合金作为研究对象。主要研究合金在形变热处理过程中的微观结构演变以及加工后的力学性能和耐蚀性能，重点分析了温变形对合金的微观结构、力学性能和耐蚀性能的影响，揭示了合金的力学性能和耐蚀性能提高的微观机理。主要内容和结论如下：　　①研究了温变形对Al-Zn-Mg-Cu合金微观结构的影响。固溶处理的合金经过冷变形(液氮温度)时，基体中的溶质原子分布不均匀，形成大小和溶质浓度都不同的溶质原子聚集区；时效时溶质浓度高的聚集区中析出物转变较快，时效后得到粗大的平衡相η，其他区域析出过程受阻，时效后得到细小的时效初期产物GP区，结果基体中的析出物具有粗细不均的特点；而在冷变形后如果先经过温变形处理，则可以促进溶质原子扩散得更均匀并在基体中均匀析出GP区，再经时效处理时，GP区转变成了η′相，结果基体中得到均匀分布的析出物。此外，时效过程中析出物能阻碍亚晶界的迁移，有利于得到细小的亚晶粒。　　②研究了温变形对Al-Zn-Mg-Cu合金的力学性能和耐蚀性能的影响。经过冷变形+温变形的合金，由于位错强化和析出强化的作用，其强度高于总变形量相同的冷变形合金的强度；温变形合金经过时效处理后的强度和塑性都进一步提高，主要原因是时效后合金中析出了大量的η′强化相，形成了细小的亚晶粒，并且位错密度减小；而冷变形合金经过时效后析出的GP区和η相的强化作用不如η′，其强度低于温变形合金经过时效后的强度。温变形能促进时效析出相在晶粒内产生，减少晶界析出相的数量和减小晶界附近无析出区的宽度，这使合金的强度和耐晶间腐蚀性能都明显优于传统时效处理的合金，其中屈服强度提高了91MPa。　　③研究了温变形对Al-Cu-Mg合金微观结构和性能的影响。合金经过冷变形+温变形后，微观结构中析出了具有强化作用的GPB区，使其硬度高于总变形量相同的冷变形合金的硬度。温变形合金经过时效后析出了S′相，析出强化作用更大，而冷变形合金经过时效后析出了GPB区，前者的硬度仍然高于后者的硬度。与传统时效处理的合金相比，经过冷变形+温变形+时效处理的合金的屈服强度提高了253MPa，并且具有良好的塑性；同时，晶粒内大量的位错等缺陷有利于析出相在晶粒内产生，减少了晶界处析出相的产生，使得合金的耐晶间腐蚀性能优于传统时效处理的合金。　　④研究了预时效对Al-Mg-Si合金在形变热处理过程中的微观结构和力学性能的影响。预时效析出的GP区在温变形时能转变成细小的β?相，使合金的强度提高；温变形合金在时效处理时发生的析出强化与回复软化互相抵消，合金的强度基本不变，但位错的减少使合金的塑性增加；与传统时效处理的合金相比，经过形变热处理的合金的屈服强度提高了220MPa，而且两者具有相似的伸长率。

目录

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 可热处理强化铝合金

1.3 可热处理强化铝合金的时效

1.4 温变形

1.5 铝合金的形变热处理

1.6 本文研究内容和意义

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 主要工艺流程

2.3 实验方法

3 温变形对Al-Zn-Mg-Cu合金微观结构的影响

3.1 引言

3.2 实验方案

3.3 实验结果

3.4 分析与讨论

3.5 本章小结

4 温变形对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能和耐蚀性能的影响

4.1 引言

4.2 实验方案

4.3 实验结果

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

5 温变形对Al-Cu-Mg合金微观结构和性能的影响

5.1 引言

5.2 实验方案

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 温变形和预时效对Al-Mg-Si合金结构和力学性能的影响

6.1 引言

6.2 实验方案

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：

C. 学位论文数据集:

致谢