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粒子激发形核再结晶工艺对2195铝锂合金及其蠕变时效行为的影响

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粒子激发形核再结晶工艺对2195铝锂合金及其蠕变时效行为的影响

作者：苏蓓桢中南大学

学位级别：硕士

蠕变时效成形技术作为一种先进的形性一体化制造技术,因其短流程、高精度、低损伤和重复性好等优点,在航空航天大型薄壁件制造中应用广泛。然而,面向新一代空天运载器高运载效率的铝锂合金结构件在蠕变时效成形过程中蠕变量较低,各向异... 详细信息

蠕变时效成形技术作为一种先进的形性一体化制造技术,因其短流程、高精度、低损伤和重复性好等优点,在航空航天大型薄壁件制造中应用广泛。然而,面向新一代空天运载器高运载效率的铝锂合金结构件在蠕变时效成形过程中蠕变量较低,各向异性差异大等问题是制约其高性能精确成形和工程化应用的关键。因此,本文以2195铝锂合金为研究对象,提出利用粒子激发形核再结晶工艺调控铝锂合金坯料组织性能,并开展粒子激发形核再结晶态铝锂合金蠕变时效特性研究,主要工作成果如下:(1)研究了粒子激发形核再结晶工艺中不同时效制度和轧制变形量对2195铝锂合金坯料组织性能的影响规律,发现采用双级过时效和85%轧制变形量具有最佳的再结晶晶粒细化效果,其平均晶粒尺寸从初始T4态的89.68μm降低到了22.62μm,再结晶百分数由35.3%提升到了97.3%,织构类型也由以Brass织构为主的轧制织构转变为以Cube织构为主的再结晶织构。与未时效和单级过时效制度相比,双级过时效制度能析出更多的粗大第二相粒子(2μm左右),这些粒子为之后的再结晶提供了形核位置,有利于再结晶细化晶粒;然而,在双级时效制度的基础上,70%轧制变形量的2195铝锂合金并未发生明显的再结晶行为,并伴随着一定程度上的晶粒长大。上述现象表明,足够大的应变储能也是粒子激发形核再结晶的先决条件,而粗大第二相粒子的数量是促进晶粒完全再结晶和影响再结晶晶粒细化的关键因素。因此,合适的时效制度和轧制变形量配比才能达到最优的完全再结晶晶粒细化效果。(2)开展了175℃和150MPa条件下,三种不同粒子激发形核再结晶态2195铝锂合金的蠕变时效实验,发现粒子激发形核再结晶态与初始T4态合金蠕变行为均呈典型双稳态蠕变特征。随着再结晶晶粒尺寸的减小,蠕变量逐渐增加,这可能归因于晶内和晶界的蠕变变形均增大的结果。数据表明,蠕变量的提升主要贡献来自于初始蠕变和初始稳态阶段,这是因为初始蠕变阶段变形主要受位错运动控制,粒子激发形核样品的等效滑移系数目高于初始T4态样品,位错更容易开动。同时,晶界密度随着晶粒尺寸的减小而增加,晶界滑移在蠕变变形中贡献占比增大,这也是初始稳态蠕变速率随晶粒尺寸的减小而增大的主要原因。但随着蠕变时效时间的增加,T相在晶内和晶界的大量析出,对位错和晶界运动的阻碍作用加大,导致不同粒子激发形核态样品的晶粒尺寸在第二初始蠕变和第二稳态蠕变阶段差异不显著。此外,完全再结晶晶粒尺寸降低,晶内析出相数量和尺寸减小,晶界析出相愈加粗大,这也是导致蠕变峰时效时粒子激发形核态合金延伸率随晶粒尺寸减小而降低的主要原因。此外,对比粒子激发形核态与T4态合金的蠕变平面各向异性行为,发现粒子激发形核态板坯的屈服强度各向异性IPA值由初始T4态样品的5.7%减小了0.9%,粒子激发形核态合金蠕变后样品屈服强度的IPA值从初始态的3.1%降低到了0.4%。粒子激发形核再结晶态对蠕变各向异性的改善更为明显,总蠕变量的IPA值由17.9%降低到了0.9%。表明粒子激发形核再结晶态坯料能有效改善铝锂合金零件蠕变时效成形过程中的形变和组织性能的均匀性。(3)基于金属弹-粘塑性统一本构理论和铝合金时效析出动力学及强化模型理论,考虑粒子激发形核再结晶组织对时效析出及蠕变应变的影响,在经典的双曲正弦蠕变时效模型的基础上,通过引入完全再结晶晶粒尺寸和能准确描述铝锂合金T相导致“双稳态”蠕变特征的熵函数方程,建立了粒子激发形核再结晶态2195铝锂合金蠕变时效统一本构方程,并采用蚁群优化算法获取了蠕变时效统一本构方程的一组最优参数。不同工艺条件下2195铝锂合金蠕变时效过程中析出相平均尺寸、相对体积分数、屈服强度、蠕变应变实验数据点与该本构模型计算结果的平均相对误差分别为9.3%,9.7%,3.2%和8.3%。表明所建立蠕变时效本构模型具有较好的准确性和有效性。图52幅,表8个,参考文献103篇

关键词： 2195铝锂合金蠕变时效晶粒尺寸粒子激发形核本构模型

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低碳钢中铁素体动态再结晶的粒子激发形核

北京科技大学学报 2008年第9期30卷 993-996,1028页

作者：王猛李龙飞杨王玥孙祖庆北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

利用淬、回火工艺得到具有弥散分布的渗碳体粒子＋铁素体双相组织的低碳钢,采用Gleeble-1500型模拟机进行热压缩变形实验,研究了在700℃、0.01 s^-1条件下变形过程中渗碳体粒子对低碳钢铁素体动态再结晶过程的影响.结果表明：在700℃、0... 详细信息

利用淬、回火工艺得到具有弥散分布的渗碳体粒子＋铁素体双相组织的低碳钢,采用Gleeble-1500型模拟机进行热压缩变形实验,研究了在700℃、0.01 s^-1条件下变形过程中渗碳体粒子对低碳钢铁素体动态再结晶过程的影响.结果表明：在700℃、0.01 s^-1条件下变形时,存在以粒子激发形核机制为主的铁素体动态再结晶过程,在形变初期粒子激发形核主要在大尺寸渗碳体粒子（〉1μm）附近发生,大应变量下应变累积促进粒子激发形核在小尺寸渗碳体粒子（0.5-1μm）附近发生.

关键词：低碳钢铁素体动态再结晶粒子激发形核电子背散射衍射

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粒子激发形核对动态再结晶影响的模拟

徐州工程学院学报（自然科学版） 2018年第4期33卷 1-5,26页

作者：关小军禹宝军山东大学材料科学与工程学院山东济南250061

为了模拟粒子激发形核对于动态再结晶行为的影响,将粒子的激发形核、钉扎晶界效应和非均匀位错密度增量模型引入传统的动态再结晶元胞自动机模型,以HPS485wf钢为研究对象,在设定的3种大尺寸析出粒子体积分数状态下,模拟了动态再结晶过程... 详细信息

为了模拟粒子激发形核对于动态再结晶行为的影响,将粒子的激发形核、钉扎晶界效应和非均匀位错密度增量模型引入传统的动态再结晶元胞自动机模型,以HPS485wf钢为研究对象,在设定的3种大尺寸析出粒子体积分数状态下,模拟了动态再结晶过程,并通过同样变形条件下热压缩模拟实验进行了验证.结果表明:这一改进模型不仅模拟了孕育—形核—长大、多轮次、形核有序的动态再结晶组织演变特征,而且真实模拟了粒子激发形核效应及其对于动态再结晶的影响.

关键词：动态再结晶模拟粒子激发形核钉扎晶界位错密度非均匀分布元胞自动机

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01420铝锂合金的粒子激发再结晶形核

中南大学学报（自然科学版） 2007年第1期38卷 19-23页

作者：张新明叶凌英杜予晅罗智辉中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083

通过光学显微镜、扫描电镜及透射电镜观察,研究01420铝锂合金的第二相粒子对激发再结晶形核和晶粒大小的影响。研究结果表明:在300℃时随着时效时间的延长,基体析出直径大于0．80μm的第二相粒子的密度逐渐增大,在48 h时达到峰值;轧制... 详细信息

通过光学显微镜、扫描电镜及透射电镜观察,研究01420铝锂合金的第二相粒子对激发再结晶形核和晶粒大小的影响。研究结果表明:在300℃时随着时效时间的延长,基体析出直径大于0．80μm的第二相粒子的密度逐渐增大,在48 h时达到峰值;轧制变形时,在这些粒严周围形成的强烈变形区是再结晶晶粒的形核位置。时效后析出的大尺寸粒子为S(Al2MgLi)相和β(Mg2Al3)相,其中大多数为S相,而该质点脆性极大,在轧制时破碎成小粒子,很难起到粒子激发形核的作用,时效后析出的大尺寸质点(直径大于0．8μm)密度约为再结晶晶粒密度的20倍。01420铝锂合金经470℃／2h固溶处理、300℃／48 h时效、81％轧制变形及500℃／10 min再结晶退火后,得到的平均晶粒尺寸约为10μm。

关键词： 01420铝锂合金晶粒细化第二相粒子粒子激发形核

喷射成形AlSiCuMg合金的热变形组织演变及再结晶行为

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金属学报 2022年第7期58卷 932-942页

作者：吴彩虹冯迪臧千昊范诗春张豪李胤樹江苏科技大学材料科学与工程学院镇江212003 江苏豪然喷射成形合金有限公司镇江212009 Metallic Materials Division Korea Institute of Materials ScienceChangwon 51508Korea

采用热压缩实验、SEM、TEM以及EBSD技术研究了喷射成形Al25Si4Cu1Mg(质量分数,%)合金的热变形组织演变规律及动态再结晶形核机制。结果表明:喷射态组织主要由等轴α-Al相、粗大块状Si相、AlSiCuMg相和不同尺度的Al_(2)Cu相构成。在623~7... 详细信息

采用热压缩实验、SEM、TEM以及EBSD技术研究了喷射成形Al25Si4Cu1Mg(质量分数,%)合金的热变形组织演变规律及动态再结晶形核机制。结果表明:喷射态组织主要由等轴α-Al相、粗大块状Si相、AlSiCuMg相和不同尺度的Al_(2)Cu相构成。在623~723 K和0.001~5 s^(-1)条件下,细小的Al_(2)Cu相随形变温度的升高而逐渐回溶。高应变速率(5 s^(-1))热压缩时,位错塞积在粗大不溶初生相前沿产生应力集中,导致部分脆性初生相开裂,同时在初生相与α-Al相界面处出现局部裂纹。α-Al相则发生了完全动态再结晶。再结晶晶粒尺寸随着变形温度的下降和应变速率的提高而降低,晶粒内部的残留位错和形变亚结构随形变温度的升高而逐渐减少。随机织构表明,喷射成形Al25Si4Cu1Mg合金的动态再结晶机制为“粒子激发形核(PSN)”机制。

关键词： AlSiCuMg合金喷射成形热压缩粒子激发形核动态再结晶

渗碳体粒子尺寸对低碳钢铁素体动态再结晶的影响

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金属学报 2007年第10期43卷 1009-1014页

作者：王猛李龙飞孙祖庆杨王玥北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

利用单向热压缩实验和OM、SEM、EBSD及TEM技术,研究了低碳钢铁素体晶粒尺寸相似、渗碳体粒子尺寸不同的两种原始组织在700℃、0.01 s^(-1)条件下的组织演变过程,分析了渗碳体粒子尺寸对铁素体动态再结晶的影响.实验结果表明:变形过程中... 详细信息

利用单向热压缩实验和OM、SEM、EBSD及TEM技术,研究了低碳钢铁素体晶粒尺寸相似、渗碳体粒子尺寸不同的两种原始组织在700℃、0.01 s^(-1)条件下的组织演变过程,分析了渗碳体粒子尺寸对铁素体动态再结晶的影响.实验结果表明:变形过程中,在尺寸较大的渗碳体粒子附近容易产生大的应变梯度,通过粒子激发形核导致动态再结晶核心的形成.在变形初期,动态再结晶核心主要在尺寸大于1.0μm的渗碳体粒子附近形成;随着应变量的增加,动态再结晶核心也可以在0.5—1.0μm的渗碳体粒子附近形成;而小于0.3μm的渗碳体粒子附近无法形成大的应变梯度,只能钉扎位错和亚晶界,阻碍动态回复和动态再结晶的发展.

关键词：低碳钢铁素体渗碳体粒子动态再结晶粒子激发形核

Ce元素对Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金组织与热变形行为的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2012年第3期43卷 890-899页

作者：张新明赵凤景邓运来唐昌平张国义中南大学材料科学与工程学院湖南长沙410083 中南大学教育部有色金属材料科学与工程重点实验室湖南长沙410083

采用Gleeble1500D热模拟机,对Mg-5.5Gd-4.5Y-1Nd-xCe-1Zr(x=0和0.2%,质量分数)合金进行热压缩变形实验(实验温度为375～525℃,应变速率为0.01、0.1和1s1,最大变形量为50%),并对合金的塑性变形行为以及变形后的组织进行研究。研究结果表... 详细信息

采用Gleeble1500D热模拟机,对Mg-5.5Gd-4.5Y-1Nd-xCe-1Zr(x=0和0.2%,质量分数)合金进行热压缩变形实验(实验温度为375～525℃,应变速率为0.01、0.1和1s1,最大变形量为50%),并对合金的塑性变形行为以及变形后的组织进行研究。研究结果表明:合金在变形温度为375℃、应变速率为0.01s1条件下开始发生动态再结晶;随着变形温度的升高或应变速率的降低,再结晶体积分数逐渐增加,再结晶晶粒粒径逐渐变大;添加Ce元素可提高再结晶体积分数,减小再结晶晶粒粒径;固溶过程中出现的"椭球状"Mg12Ce粒子对再结晶有粒子激发形核(PSN)作用;这2种合金在375～525℃下的变形表观激活能分别为191和212kJ/mol。

关键词： Mg-Gd-Y-Nd-Ce—Zr合金热压缩变形变形激活能再结晶粒子激发形核

预变形对2050铝锂合金晶粒细化及超塑性的影响

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材料工程 2019年第12期47卷 92-97页

作者：叶凌英孙泉李红萍刘胜胆张新明中南大学材料科学与工程学院长沙410083 中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室长沙410083 中南大学有色金属先进结构材料与制造协同创新中心长沙410083

通过形变热处理工艺制备2050铝锂合金细晶板材,采用光学显微镜、扫描电镜等研究预变形对第二相分布、晶粒组织及板材超塑性的影响。结果表明:采用预变形后,高温过时效过程中板材晶内形成大量亚晶,大量的亚晶界促进了T B相的析出同时提... 详细信息

通过形变热处理工艺制备2050铝锂合金细晶板材,采用光学显微镜、扫描电镜等研究预变形对第二相分布、晶粒组织及板材超塑性的影响。结果表明:采用预变形后,高温过时效过程中板材晶内形成大量亚晶,大量的亚晶界促进了T B相的析出同时提高了粗化速率,显著增加了晶内T B相的尺寸,使得有效激发再结晶形核第二相粒子体积分数由0.92%提高至3.28%。同时与未预变形板材相比,板材中心层平均晶粒尺寸由12.59μm降低至9.59μm,表层平均晶粒尺寸由10.79μm降低至8.60μm,晶粒细化效果得到明显改善,超塑性变形能力显著提升,在490℃,2×10^-4 s^-1的变形条件下,伸长率由230%提高至470%。

关键词： 2050铝锂合金晶粒细化形变热处理粒子激发形核超塑性

超塑预处理01420铝锂合金层状晶粒组织的形成机制

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中国有色金属学报 2007年第11期17卷 1744-1749页

作者：叶凌英张新明刘颖维杜予晅罗智辉中南大学材料科学与工程学院长沙410083

采用形变热处理法制备01420铝锂合金细晶板材,研究时效第二相对位错分布和层状再结晶组织形成的影响。结果表明:时效第二相沿板材法向呈梯度分布,在表面层分布均匀且含量较大,而在中心层主要沿平行轧制方向分布且含量较小;第二组粒子的... 详细信息

采用形变热处理法制备01420铝锂合金细晶板材,研究时效第二相对位错分布和层状再结晶组织形成的影响。结果表明:时效第二相沿板材法向呈梯度分布,在表面层分布均匀且含量较大,而在中心层主要沿平行轧制方向分布且含量较小;第二组粒子的这种分布方式导致轧制过程中在其周围形成的高应变区域也呈梯度分布,这是导致层状再结晶组织形成的主要原因;板材表面层为细小等轴的再结晶晶粒,平均粒径约为10μm;板材中心层再结晶晶粒呈长条状,平均尺寸约为30μm×12μm;各层约占板材总厚度的1/3。

关键词： 01420铝锂合金层状晶粒组织晶粒细化形变热处理粒子激发形核