超高强Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金组织与性能研究
运用低频电磁半连续铸造技术制备了一种高锌含量的新型超高强Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，采用热加工模拟和步进式热处理方法，差热分析(DSC)、硬度和电导率测试方法，室温拉伸和慢应变拉伸，X射线物相分析(XRD)、金相(OM)和电子显微分析方法(TEM、SEM)研究了合金在不同热加工工艺和热处理工艺条件下的力学性能、显微组织结构及其变化规律，并从理论上进行了分析和讨论。获得了下列重要结论：
1.铸锭均匀化过程中，合金显微组织结构发生了三个方面的变化：一方面，铸锭中的枝晶组织和非平衡共晶组织随均匀化温度的升高和时间的延长而消失；另一方面，400℃以下均匀化，过饱和固溶体分解析出平衡的η相和S相，400℃以上均匀化，平衡相又回溶到固溶体基体中。其次，均匀化过程中过饱和固溶体分解析出弥散的Al3Zr相。合金合宜的均匀化处理工艺为450℃保温24h。
2.合金铸锭经450℃/24h均匀化之后进行热加工模拟实验，结果表明：在同一变形温度下，流变应力随应变速率的增加迅速升高，到达应力峰值后逐渐下降，趋于稳态流变应力值；在同一变形速率下，流变应力随变形温度的升高而降低，温度对流变应力的影响比应变速率的影响大。用线性回归的方法求出合金高温变形的四个特征常数为：应力指数n=8.76，应力水平参数α=0.016mm2/N，结构因子A=4.3×1012S-1，变形激活能Q=139.4KJ/mol。高温变形条件下，合金的流变应力σ、应变速率ε和变形温度T之间满足下列本构方程：
ε=4.3×1012[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.高温变形条件下，当变形温度＜400℃时，合金中主要形成亚晶组织，其特征取决于变形时的Zener-Hollomon参数Z值的大小。随变形温度升高和应变速率降低，Z值减小，合金中形成的亚晶尺寸增大，且平均亚晶直径d的倒数与Z参数的自然对数之间满足线性关系；当变形温度T≥400℃，lnZ＜18.01时，合金组织发生部分动态再结晶，其再结晶形核机制为晶界弓出，亚晶合并和亚晶长大机制。合金合宜的热加工温度范围为350℃～400℃。
4.铸锭均匀化后在380℃进行热加工，对热加工材进行单级和双级固溶处理。双级固溶处理能更有效地减小和消除热加工后合金中残留的共晶相，增加淬火后固溶体基体的过饱和度，提高合金的最终时效强化效果。合宜的双级固溶工艺为450℃/2h+470℃/1h。与460℃/1h单级固溶处理相比较，相同时效条件下，双级固溶处理能使合金的抗拉强度和屈服强度提高25-30MPa，延伸率仍保持在9％左右的高水平。
5.双级固溶处理后进行单级时效，合金表现出显著的时效硬化特性和抗过时效性。单级时效条件下，合宜的峰值时效工艺(T6)为120℃/24h，在此工艺条件下，合金的抗拉强度和屈服强度分别为730MPa和705MPa，延伸率δ5为8.8％，电导率为γ=29.8％IACS。
6.利用人工神经网络对合金单级时效温度、时间与硬度、电导率样本集进行训练和学习，采用BP神经网络算法，建立了时效工艺的神经网络模型。利用所建立的网络模型预测不同时效状态下材料的硬度和导电率值，发现预测数据与实验数据吻合良好，表明已构成了一个知识基的本构关系模型，为铝合金时效性能预测和控制提供了一条新途径。
7.固溶处理后进行双级时效，合宜的双级时效工艺为100℃/4h+160℃/1h。在此工艺条件下，合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为718MPa，690MPa和8.6％，电导率为32.2％IACS。与单级时效(T6态)相比，双级时效在不降低强度的前提下提高了合金的电导率即抗应力腐蚀性能，热处理时间大大缩短，而延伸率下降不多。
8.固溶处理后进行回归再时效，结果表明，回归温度和时间对合金性能影响很大。合宜的回归再时效处理工艺是120℃/24h预时效-180℃/60min回归-120℃/24h再时效。在此条件下，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和电导率分别为721MPa、700MPa、8.1％和35.0％IACS。与单级峰值时效态和双级时效态相比，合金综合性能更好，特别是电导率有较大的提高，反映出抗应力腐蚀性能明显改善，合金的基本性能达到了863计划对本项目的要求。
9.回归再时效处理处理过程中合金性能与显微组织的演变密切相关。回归过程中，一开始GP区和η'相回溶导致合金强度和硬度下降；随后，η’相和η相的析出使硬度重新上升至峰值；继续延长回归时间，η’相转变成η相并且粗化，导致合金硬度单调下降。回归后再时效，η’相重新析出，合金的强度、硬度和电导率又升高。与此同时，回归再时效过程中晶界处连续分布的η平衡相长大粗化并呈离散分布，晶界无沉淀析出带有所宽化，与双级时效态晶界结构相似。经过RRA处理后，合金的组织综合了单级峰值时效和双级时效处理的优点，使合金既有高的强度又有良好的抗应力腐蚀性能。
超高强铝合金;热加工模拟;热处理;显微组织;力学性能;固溶处理;超高强合金;铝锌镁铜锆合金;半连续铸造技术
中南大学
博士
材料物理与化学
尹志民
2004
中文
TG146.21;TG249.7;TG135.1
116
2006-08-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）