Al-Zn-Mg-Cu合金熱-力作用下的靜態(tài)軟化：物理模擬與模型.pdf

1、具有高比強(qiáng)度、高比剛度以及良好的加工性能的Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金主要作為軋制（中）厚板、擠壓型材或鍛件應(yīng)用于航空航天及軌道交通的結(jié)構(gòu)件，而在軋制和鍛造等多道次熱加工后鋁合金最終產(chǎn)品的組織和性能不僅受熱變形條件的影響，道次間隙保溫、冷卻或重新加熱過程中的靜態(tài)組織變化對材料最終組織和性能的影響同樣重要，國內(nèi)外目前有關(guān)鋁合金靜態(tài)軟化方面的研究明顯落后于鋼鐵，特別是關(guān)于軟化機(jī)理等基本理論及物理模型等方面的研究明顯薄弱。
　　本文選

2、取7150鋁合金為研究對象，借助先進(jìn)的Gleeble熱/力模擬試驗(yàn)技術(shù)，開展一系列單、雙和多道次熱變形物理模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合SEM、EBSD和TEM等先進(jìn)顯微組織表征技術(shù)，探究該合金在熱/力作用下的靜態(tài)軟化動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其機(jī)理，探討合金靜態(tài)軟化過程析出、回復(fù)和再結(jié)晶的交互作用規(guī)律;基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立合金靜態(tài)軟化的力學(xué)與組織定量物理基模型。鑒于不同溫度條件下7150鋁合金析出動(dòng)力學(xué)對靜態(tài)軟化的重要影響，采用原位電阻率表征技術(shù)探究7150鋁合金在等

3、溫和非等溫條件下的析出動(dòng)力學(xué)規(guī)律。主要研究結(jié)果如下:
　　1)基于7150鋁合金單、雙道次等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)及軟化率計(jì)算，探明了7150鋁合金在多道次熱變形過程中的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)軟化動(dòng)力學(xué)規(guī)律。結(jié)果表明:7150鋁合金等溫單道次熱變形過程流變應(yīng)力出現(xiàn)明顯峰值和流變軟化，相對動(dòng)態(tài)軟化率隨應(yīng)變速率的降低和溫度的升高而增加。等溫雙道次熱變形過程靜態(tài)軟化隨應(yīng)變速率、變形溫度和道次間停留時(shí)間的增加而增加，靜態(tài)軟化曲線在400℃時(shí)呈典型的“S”形，當(dāng)

4、溫度降低到300℃時(shí)出現(xiàn)了靜態(tài)軟化雙“平臺(tái)”現(xiàn)象。此外，結(jié)合靜態(tài)軟化動(dòng)力學(xué)規(guī)律建立了基于JMAK的靜態(tài)軟化動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>　　2)7150鋁合金在等溫雙道次熱壓縮過程中，靜態(tài)軟化過程主要受靜態(tài)回復(fù)機(jī)制控制，且靜態(tài)回復(fù)可以導(dǎo)致很高的軟化率，在400℃時(shí)出現(xiàn)了計(jì)算的靜態(tài)軟化率超過100％的現(xiàn)象。而在300℃條件下，合金中存在兩類主要第二相，即粗大第二相粒子和細(xì)小的析出相，其對合金靜態(tài)軟化影響很小;大量不均勻分布的細(xì)小析出相隨著保溫時(shí)

5、間的延長會(huì)迅速長大、粗化，這些析出相演變及其對位錯(cuò)的釘扎等是導(dǎo)致溫度為300℃時(shí)出現(xiàn)靜態(tài)軟化“平臺(tái)”現(xiàn)象的主要原因。
　　3)建立了考慮簡單回復(fù)、析出相粗化及高溫位錯(cuò)-粒子相互作用的整合物理基模型，結(jié)合微觀組織定量分析，從理論上進(jìn)一步探明了7150鋁合金雙道次熱壓縮過程靜態(tài)軟化的機(jī)理。結(jié)果表明:合金在400℃的熱變形條件下靜態(tài)軟化幾乎全部由回復(fù)引起，而第二相的影響很小;而在300℃條件下初始階段的靜態(tài)軟化主要由回復(fù)引起，且隨著靜態(tài)

6、軟化的進(jìn)行，靜態(tài)回復(fù)引起的軟化率增長速率逐漸減少，而析出相粗化貢獻(xiàn)的軟化率逐漸增加，靜態(tài)軟化“平臺(tái)”的形成與第二相粒子粗化密切相關(guān)。
　　4)采用原位電阻率表征技術(shù)對7150鋁合金在等溫及非等溫加熱過程中的析出動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明:原位電阻率測試結(jié)果可以有效地表征7150鋁合金在一系列加熱/冷卻條件下的析出動(dòng)力學(xué)。非等溫加熱路徑對析出動(dòng)力學(xué)有決定性影響，即連續(xù)冷卻過程中析出粒子呈現(xiàn)粗大及稀疏分布狀態(tài)，而淬火態(tài)合金在隨后

7、的連續(xù)加熱過程中由于淬火及反向加熱的作用，初始的低溫階段有大量細(xì)小及高密度均勻分布的析出粒子逐漸形成，隨著溫度增加析出粒子尺寸逐漸增大而密度逐漸降低;當(dāng)溫度超過450℃左右時(shí)，僅殘留部分稀疏分布的Al3Zr彌散粒子。在等溫加熱過程中，初始的低溫階段呈現(xiàn)典型的析出形核、長大及粗化過程，形核孕育時(shí)間隨溫度的升高迅速減少而長大速率急劇增加，隨著溫度的升高逐漸出現(xiàn)理想的Ostwald粗化過程。基于原位電阻率測試結(jié)果，通過分析、推理可以定量計(jì)算出

8、合金在等溫及非等溫加熱過程中析出相的演變規(guī)律。
　　5)基于7150鋁合金等溫及非等溫多道次熱模擬實(shí)驗(yàn)及流變應(yīng)力分析，探究了預(yù)熱方式對單、雙道次熱變形行為的影響，以及多道次熱變形本構(gòu)特性和軟化規(guī)律。結(jié)果表明:不同預(yù)熱方式對合金300℃條件下動(dòng)態(tài)軟化和靜態(tài)軟化均產(chǎn)生顯著影響。采用雙曲正弦函數(shù)描述合金等溫多道次熱變形本構(gòu)模型時(shí)，模型中的刀值及l(fā)nA值均受多道次變形參數(shù)（應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度及道次間隔時(shí)間等）的影響，而熱變形激活能Q值受

9、的影響有限。由非等溫?zé)嶙冃瘟髯儜?yīng)力可以更方便地求得合金本構(gòu)模型，且本文非等溫應(yīng)力擬合結(jié)果更理想。盡管合金多道次熱變形道次間隙呈現(xiàn)明顯的靜態(tài)軟化特性，其靜態(tài)軟化百分?jǐn)?shù)隨變形溫度、變形速率、應(yīng)變及停留時(shí)間的增加而增大，甚至出現(xiàn)計(jì)算的軟化率超過100％的軟化現(xiàn)象;且顯微組織分析表明等溫多道次熱變形高溫條件下出現(xiàn)部分再結(jié)晶，而在低溫過程中呈現(xiàn)典型的回復(fù)組織，同時(shí)低溫下應(yīng)變誘導(dǎo)析出及高溫下析出相回溶對等溫和非等溫多道次熱變形過程流變行為、本構(gòu)特性