超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金組織與性能研究.pdf

1、運(yùn)用低頻電磁半連續(xù)鑄造技術(shù)制備了一種高鋅含量的新型超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，采用熱加工模擬和步進(jìn)式熱處理方法，差熱分析(DSC)、硬度和電導(dǎo)率測(cè)試方法，室溫拉伸和慢應(yīng)變拉伸，X射線(xiàn)物相分析(XRD)、金相(OM)和電子顯微分析方法(TEM、SEM)研究了合金在不同熱加工工藝和熱處理工藝條件下的力學(xué)性能、顯微組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律，并從理論上進(jìn)行了分析和討論。獲得了下列重要結(jié)論： 1.鑄錠均勻化過(guò)程中，合金顯微組織結(jié)構(gòu)

2、發(fā)生了三個(gè)方面的變化：一方面，鑄錠中的枝晶組織和非平衡共晶組織隨均勻化溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而消失；另一方面，400℃以下均勻化，過(guò)飽和固溶體分解析出平衡的η相和S相，400℃以上均勻化，平衡相又回溶到固溶體基體中。其次，均勻化過(guò)程中過(guò)飽和固溶體分解析出彌散的Al3Zr相。合金合宜的均勻化處理工藝為450℃保溫24h。 2.合金鑄錠經(jīng)450℃/24h均勻化之后進(jìn)行熱加工模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在同一變形溫度下，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增

3、加迅速升高，到達(dá)應(yīng)力峰值后逐漸下降，趨于穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值；在同一變形速率下，流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響比應(yīng)變速率的影響大。用線(xiàn)性回歸的方法求出合金高溫變形的四個(gè)特征常數(shù)為：應(yīng)力指數(shù)n=8.76，應(yīng)力水平參數(shù)α=0.016mm2/N，結(jié)構(gòu)因子A=4.3×1012S-1，變形激活能Q=139.4KJ/mol。高溫變形條件下，合金的流變應(yīng)力σ、應(yīng)變速率ε和變形溫度T之間滿(mǎn)足下列本構(gòu)方程： ε=4.3×1012[

4、sinh(0.016σ)]8.76exp(-139400/RT)σ=61.7ln{[Z/4.3×1012]1/8.76+[(Z/4.3×1012)2/8.76+1]1/2)3.高溫變形條件下，當(dāng)變形溫度＜400℃時(shí)，合金中主要形成亞晶組織，其特征取決于變形時(shí)的Zener-Hollomon參數(shù)Z值的大小。隨變形溫度升高和應(yīng)變速率降低，Z值減小，合金中形成的亞晶尺寸增大，且平均亞晶直徑d的倒數(shù)與Z參數(shù)的自然對(duì)數(shù)之間滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)變形溫度T

5、≥400℃，lnZ＜18.01時(shí)，合金組織發(fā)生部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其再結(jié)晶形核機(jī)制為晶界弓出，亞晶合并和亞晶長(zhǎng)大機(jī)制。合金合宜的熱加工溫度范圍為350℃～400℃。 4.鑄錠均勻化后在380℃進(jìn)行熱加工，對(duì)熱加工材進(jìn)行單級(jí)和雙級(jí)固溶處理。雙級(jí)固溶處理能更有效地減小和消除熱加工后合金中殘留的共晶相，增加淬火后固溶體基體的過(guò)飽和度，提高合金的最終時(shí)效強(qiáng)化效果。合宜的雙級(jí)固溶工藝為450℃/2h+470℃/1h。與460℃/1h單級(jí)固溶處

6、理相比較，相同時(shí)效條件下，雙級(jí)固溶處理能使合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高25-30MPa，延伸率仍保持在9％左右的高水平。 5.雙級(jí)固溶處理后進(jìn)行單級(jí)時(shí)效，合金表現(xiàn)出顯著的時(shí)效硬化特性和抗過(guò)時(shí)效性。單級(jí)時(shí)效條件下，合宜的峰值時(shí)效工藝(T6)為120℃/24h，在此工藝條件下，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為730MPa和705MPa，延伸率δ5為8.8％，電導(dǎo)率為γ=29.8％IACS。 6.利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)合金單級(jí)時(shí)效溫

7、度、時(shí)間與硬度、電導(dǎo)率樣本集進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了時(shí)效工藝的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用所建立的網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)不同時(shí)效狀態(tài)下材料的硬度和導(dǎo)電率值，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明已構(gòu)成了一個(gè)知識(shí)基的本構(gòu)關(guān)系模型，為鋁合金時(shí)效性能預(yù)測(cè)和控制提供了一條新途徑。 7.固溶處理后進(jìn)行雙級(jí)時(shí)效，合宜的雙級(jí)時(shí)效工藝為100℃/4h+160℃/1h。在此工藝條件下，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為718MPa，690MPa

8、和8.6％，電導(dǎo)率為32.2％IACS。與單級(jí)時(shí)效(T6態(tài))相比，雙級(jí)時(shí)效在不降低強(qiáng)度的前提下提高了合金的電導(dǎo)率即抗應(yīng)力腐蝕性能，熱處理時(shí)間大大縮短，而延伸率下降不多。 8.固溶處理后進(jìn)行回歸再時(shí)效，結(jié)果表明，回歸溫度和時(shí)間對(duì)合金性能影響很大。合宜的回歸再時(shí)效處理工藝是120℃/24h預(yù)時(shí)效-180℃/60min回歸-120℃/24h再時(shí)效。在此條件下，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和電導(dǎo)率分別為721MPa、700MPa、8

9、.1％和35.0％IACS。與單級(jí)峰值時(shí)效態(tài)和雙級(jí)時(shí)效態(tài)相比，合金綜合性能更好，特別是電導(dǎo)率有較大的提高，反映出抗應(yīng)力腐蝕性能明顯改善，合金的基本性能達(dá)到了863計(jì)劃對(duì)本項(xiàng)目的要求。 9.回歸再時(shí)效處理處理過(guò)程中合金性能與顯微組織的演變密切相關(guān)。回歸過(guò)程中，一開(kāi)始GP區(qū)和η'相回溶導(dǎo)致合金強(qiáng)度和硬度下降；隨后，η’相和η相的析出使硬度重新上升至峰值；繼續(xù)延長(zhǎng)回歸時(shí)間，η’相轉(zhuǎn)變成η相并且粗化，導(dǎo)致合金硬度單調(diào)下降。回歸后再時(shí)效，