【摘要】：7系鋁合金作為一種輕質(zhì)高強度變形鋁合金,在飛機零部件、汽車車身以及電子產(chǎn)品外殼等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前變形鋁合金主要采用鍛壓、軋制等方式進行加工,加工工序長,資源與能源消耗較大。觸變成形作為一種重要的半固態(tài)加工技術(shù),結(jié)合了半固態(tài)材料的觸變特性以及變形鋁合金良好的塑性成形能力,為高性能鋁合金產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用提供了一種嶄新的思路。然而在傳統(tǒng)觸變成形中,7系鋁合金存在著熱裂傾向大,再結(jié)晶困難,晶粒球化效果差等問題,嚴重制約著觸變成形工藝的應(yīng)用。大塑性變形技術(shù)對材料具有顯著的晶粒細化效果,可以同時提高材料的強度與韌性。基于變形鋁合金觸變成形中存在的問題,本論文提出將大塑性變形技術(shù)與半固態(tài)觸變工藝結(jié)合,探討晶粒細化對半固態(tài)組織演化過程及力學(xué)性能的影響規(guī)律。本文將等徑角擠壓技術(shù)(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)應(yīng)用到應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激化法(Strain Induced Melting Activation,SIMA)中,對ECAP-SIMA法制備的7075鋁合金半固態(tài)坯料的組織演化機理、工藝參數(shù)對球狀晶形貌的影響規(guī)律進行了分析。結(jié)果表明:經(jīng)過均勻化處理與4道次ECAP擠壓后,組織中大角度晶界比例增加至39.3%,平均晶粒尺寸下降至2.31 μm;變形鋁合金中的平均固相顆粒尺寸隨著半固態(tài)保溫溫度與保溫時間的提高而上升,在610-620℃保溫15 min后,平均固相顆粒尺寸為67.19-71.09μm,形狀因子為0.84-0.86。ECAP-SIMA法制備的7075鋁合金半固態(tài)組織具有比常規(guī)重熔再結(jié)晶法(Recrystallization and Partial Remelting,RAP)制備的半固態(tài)組織更加細小均勻、圓整的固相顆粒形貌。分析了 7075鋁合金在半固態(tài)溫度(570-630℃)內(nèi)的固相粗化機制,分別討論了液相體積分數(shù)、預(yù)變形量、制備方法、合金成分以及合金元素擴散速率對于粗化速率的影響。研究表明:隨著半固態(tài)保溫溫度的增加,組織粗化速率常數(shù)K經(jīng)歷了 4個階段的變化,每個階段內(nèi)的控制機制分別為:合并-聚集機制、固-固相連結(jié)抑制的Ostwald機制、傳統(tǒng)Ostwald熟化機制和試樣宏觀變形導(dǎo)致的對流擴散機制。液相體積分數(shù)fL在0.28-0.51之間時,粗化速率常數(shù)與(fL)-2/3成正比;而當(dāng)fL在0.07-0.28之間時,論文建立了修正的粗化速率模型。增加7075鋁合金ECAP變形道次,組織畸變能增加,同時晶粒尺寸下降導(dǎo)致溶質(zhì)元素擴散距離縮短,粗化速率增加。變形鋁合金中存在大量的第二相粒子,抑制了晶界的遷移,從而相對鑄造鋁合金具有更低的粗化速率。SIMA或RAP制備方法可以提供更高的組織再結(jié)晶形核速率,從而相對傳統(tǒng)鑄造法制備的半固態(tài)材料具有更低的粗化速率。對7075鋁合金的室溫拉伸性能、半固態(tài)等溫拉伸性能及相應(yīng)的斷裂機制進行了研究。研究表明:室溫拉伸性能及斷裂機理受到半固態(tài)保溫溫度與保溫時間的影響。隨著液相體積分數(shù)的增加,斷裂形式從包含有解理面及韌窩的混合斷裂形式逐漸發(fā)展為脆性沿晶斷裂形式。在低液相率條件下,液相凝固時產(chǎn)生的縮孔以及未溶的第二相粒子在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微裂紋是斷裂的主要機制;在較高液相率條件下,決定試樣強度的因素是凝固的液相與固相顆粒結(jié)合界面強度及凝固液相薄膜本身的強度。7075鋁合金的高溫拉伸力學(xué)及斷裂行為根據(jù)液相對其影響大小可分為三個階段:類固態(tài)韌性斷裂、液相影響下的脆性斷裂和液相導(dǎo)致的斷裂。分析了 7075鋁合金在觸變成形過程中的三種偏析現(xiàn)象:單個晶粒尺度范圍內(nèi)的成分偏析、半固態(tài)保溫處理過程中產(chǎn)生的液相晶間偏析以及在觸變成形過程中的液相宏觀偏析。利用反擠壓試驗制備了不同壁厚的杯形件,分析了擠壓溫度與擠壓比對偏析程度的影響規(guī)律。結(jié)果表明:變形過程中液相與固相的流動性能差異是導(dǎo)致液相宏觀偏析現(xiàn)象的主要原因。較高的擠壓溫度與較大的擠壓比導(dǎo)致液相偏析程度加劇。運用D'arcy定律及Kozeny-Carman公式確定了計算液相滲透率及滲透速率的方法。通過細化晶粒,縮短半固態(tài)保溫時間以及采用較高的壓下速度可以降低材料在變形過程中的偏析程度。本論文通過高強變形鋁合金半固態(tài)坯料的制備、半固態(tài)溫度區(qū)間組織粗化動力學(xué)行為、半固態(tài)坯料在常溫及高溫下的力學(xué)及斷裂行為、觸變成形過程偏析產(chǎn)生機理及控制方案等一系列系統(tǒng)性研究,為拓展半固態(tài)成形技術(shù)在變形鋁合金領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21
【圖文】：

術(shù)終將走向精密化、數(shù)字化、智能化和集成化。逡逑１．１課題研究背景逡逑根據(jù)汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國近十年乘用車銷量如圖１－１所示，中逡逑國汽車產(chǎn)業(yè)保持穩(wěn)步增長，己發(fā)展成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。然而，能源安逡逑全和環(huán)境保護日漸成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可忽略的問題，特別是隨著我國新逡逑能源汽車“雙積分”政策的實施，如何限制能源用量，提高能源利用效率以逡逑及減少廢氣排放成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新課題。節(jié)能減排有兩個重要途徑，其逡逑中之一是傳統(tǒng)汽車輕量化，通過減輕汽車重量減少油耗，從而減輕污染；另逡逑外一種方式是通過發(fā)展新能源汽車逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車，達到減少尾氣排逡逑放的目的。鋁合金、鎂合金和碳纖維被認為是最佳的汽車輕質(zhì)材料，鋁合金逡逑憑借其優(yōu)良的金屬特性和成熟的加工工藝在車身、動力總成等部件將得到推逡逑廣

備、半固態(tài)組織演變、半固態(tài)拉伸力學(xué)及斷裂行為、成形缺陷分析和成形過逡逑程控制等方面，對其觸變成形過程中缺陷產(chǎn)生機理和控制方法進行系統(tǒng)研究。逡逑圖１－２是本課題提出的高強度鋁合金制備工藝（下圖），與傳統(tǒng)鍛造加工工藝相逡逑比（上圖），本課題提出的制備工藝具有流程短、成本低的特點，特別適合于逡逑實驗室研究與工業(yè)中小規(guī)模生產(chǎn)。在本課題研究的基礎(chǔ)上，為變形鋁合金觸逡逑變成形技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論和試驗基礎(chǔ)，對拓展半固態(tài)成形技術(shù)的工逡逑業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。逡逑－３邋－逡逑

２．１．２邋ＳＩＭＡ法與ＲＡＰ法半固態(tài)坯料制備技術(shù)逡逑ＳＩＭＡ法與ＲＡＰ法是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種半固態(tài)坯料制備技術(shù)，其逡逑工藝原理如圖２－２所示。逡逑＊邋￣邋１逡逑Ｔｌ邋＾＼＼邐逡逑室o鈴危А卞危簟卞危苠義希叭厶逯戾嗡芐偽湫衛(wèi)潯湫五灝牘燙Ｎ洛義賢跡玻插澹櫻桑停練ㄓ耄遙粒蟹ǖ墓ひ趙硎疽饌煎義希罰義

本文編號：2792418