循环加载过程铝铜合金组织性能演变及调控

作     者：吕方璞 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘春辉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：铝铜合金 循环加载 人工时效 微观组织 力学性能 强化机制 

摘      要：为了提升结构效率,航空航天铝合金构件趋向于大型整体化和薄壁轻量化。受到复杂结构的制约,难以对铝铜合金整体零件如带筋圆筒或高筋壁板等施加标准工艺所需冷变形量,限制力学性能提高。循环加载具有整体变形量低、高效及免热处理强化的特点优势,是难变形复杂构件高性能制造中具有发展潜力的技术路线。本文采用基于循环加载的变形方法,通过综合调控空位、位错、析出相等微观组织,探究铝铜合金在小变形量下实现合金高力学性能的工艺路线。针对循环加载过程中初始坯料状态、循环加载条件和合金组织性能的映射关系复杂,组织性能调控原理不清楚;循环加载过程中空位、位错和析出的交互影响复杂,铝铜合金在循环载荷下的特征组织形成机制不明;循环加载对合金后续时效过程组织性能演化的影响机制不明的问题,系统开展循环加载过程铝铜合金组织性能演变及调控的研究。本文的主要研究结果和创新点是:(1)通过对比T3、T4和T6三种初始状态铝铜合金循环弹性变形下的响应,发现只有T4态合金经过循环加载没有出现明显的损伤,最大应变低于0.6%。合金屈服强度从152MPa提高至268MPa,均匀延伸率超过14%。利用扫描透射电子显微镜(STEM)表征发现,循环加载突破了传统工艺难以产生大量空位的障碍。大量空位产生并在原子面聚集形成密集分布的直径约16nm的位错环,是T4态合金强度提高的主要原因。T4态合金经过0.5%定应变循环塑性加载,在致密的位错环与位错共同作用下,合金屈服强度提高至304MPa,均匀延伸率超过11%。(2)应力或应变循环加载控制均可以实现小变形量下合金强度的提高。对铝基体中位错环在单轴拉伸下和位错的相互作用进行了分子动力学模拟,分析了位错环强化的物理机制。滑移的位错被位错环阻碍,位错被拉长且发生弯曲变形,系统整体应力增加速率提高,位错环具有明显阻碍位错运动的能力。基于物理机制建立了位错环强化模型,计算位错环组织提供超过110MPa的强度贡献。(3)变弹性应力和0.5%定应变循环塑性合金在165℃后续时效时达到峰值时间分别提前至18h及12h,峰时效合金硬度均超过145HV。时效后合金强度接近甚至超过传统T8态,屈服强度分别达到376MPa及408MPa,延伸率分别超过T8态63.5%和23%。差示扫描量热法(DSC)及透射电子显微镜(TEM)表征显示循环加载促进了GP区和位错环的产生,位错环促进了时效过程中强化相θ’的形核和生长。根据析出强化模型,计算峰时效合金基体中尺寸双峰分布的析出相可以提供近300MPa的强化效果。本研究发现循环加载工艺具有变形量低,强化能力高及时效硬化潜力大的特点,是难预变形复杂构件高性能制造的潜在技术路线。图41幅,表9个,参考文献120篇