应变速率对alznmgcu合金力学性能的影响【字数：9979】
摘 要基于现代社会对新一代超高强可变形铝合金材料综合性能的要求，在保证材料的安全性能、使用寿命等方面的前提，使得其需具有更好的高强高韧的力学性能。本文通过在室温下，研究了不同应变速率、不同厚度对Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金拉伸和压缩实验的显微组织、拉伸断口形貌和力学性能的影响。结果表明实验通过对试样进行热处理，其固溶机制和时效机制使得晶体内部第二相颗粒溶解，晶内析出强化相η′ 相数量的增加，从而使得Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金强度增加。对其断口形貌分析可知，断口类型由韧窝型穿晶断裂和脆性沿晶断裂组成。拉伸实验可得当尺寸一定时，随着应变速率的增加，晶内位错大量增殖，位错运动受阻，产生加工硬化现象，则Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金的抗拉强度增加明显，屈服强度略有增加；当应变速率一定时，随着厚度的增大，位错密度增大且运动受阻，而克服位错运动阻力需要时间，因此Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金的抗拉强度增加，屈服强度略有下降。此外，基于Field-Backofen本构方程的研究，分析了应变速率对Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金拉伸性能的影响。
目录
1绪论 1
1.1 AlZnMgCu合金研究背景 1
1.2 铝合金的特点 1
1.2.1 铝的特点 1
1.2.2 AlZnMg系合金的特点 2
1.2.3 AlZnMgCu合金的特点 2
1.3 应变速率对AlZnMgCu合金组织及力学性能的研究进展 2
1.3.1应变速率对AlZnMgCu合金组织性能的研究进展 2
1.3.2应变速率对AlZnMgCu合金力学性能的研究进展 3
1.4 课题研究内容和技术路线 3
1.4.1 课题研究内容 3
1.4.2 课题研究技术路线 4
2 实验材料及方法 5
2.1 试样制备 5
2.2 热处理机制 6
2.3 显微组织表征 6
2.4 力学性能测试 6
3 Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金显微组织及力学性能分析 7
3.1显微组织 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.1.1 挤压态显微组织 7
3.1.2 T6态显微组织 7
3.2拉伸力学性能分析 8
3.2.1 挤压态拉伸力学性能 8
3.2.2 T6态拉伸力学性能 9
3.2.3 拉伸断口形貌分析 10
3.3压缩实验力学性能分析 12
3.3.1压缩实验过程 12
3.3.2挤压态Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金压缩力学性能分析 12
3.4.3 T6态Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金压缩力学性能分析 13
3.4 本章小结 14
4 应变速率对Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金本构方程分析 15
4.1 本构方程 15
4.2 本章小结 17
5 结论 18
参考文献 19
致谢 21
1绪论
1.1 AlZnMgCu合金研究背景
铝合金在我国的制造业中应用十分普遍，其产量高仅次于钢。随着当代社会对航空飞机，交通工具等的高度重视，对材料的综合性能需求更加严苛。先进科学技术的不断深入发展，使得材料机械设计对材料的综合性能、安全性能、使用寿命等方面要求的不断提高，新一代研究的高强高韧铝合金材料需要具有更好的综合力学性能，需要有更高的强度、塑韧性、耐腐蚀性能和更好的材料加工性能。在保证性能的前提下，使材料的轻量化能够更好地实现节能环保的功能[1~4]，因此，航空航天器件的轻量化就要求铝合金结构材料具有更高的强度和高韧性。
基于以上要求，研究者们研发出一系列超高强AlZnMgCu系铝合金。然而，由于该系铝合金中合金元素含量较高，使得析出相在晶界周围聚集，合金沿晶界开裂，材料的断裂塑韧性和抗应力腐蚀能力下降，材料零件的使用寿命受到很大限制。本实验旨在探讨应变速率参数对AlZnMgCu合金的微观组织和力学性能的影响，并得到最佳组合的强度和延展性，从而满足汽车零部件、飞机机翼机肋等的设计要求。
1.2 铝合金的特点
1.2.1 铝的特点
铝是一种轻金属，其密度小为2.7g/cm3，熔点低为（660℃），具有良好的导电导热性及延展性，化学性能稳定。由于在空气中，铝能在表面形成致密的Al2O3氧化膜，因此具有良好的耐腐蚀性。铝的晶体结构为面心立方结构，塑性高，强度低，不能用来制造承受载荷较大的机械构件，通过向铝中添加合金元素制成铝合金改变其组织结构，从而提高其综合力学性能，加入铝合金中的合金元素有Mg、Zn、Mn、Cu等。铝的加工性较好，可利用加工成线、棒、挤压型材料，挤压型材料在铝的用量占较大比例。铝无毒，在食品行业应用较广泛，如食品外包装、家庭使用的五金极其多，铝的价格虽然比一般钢材高，但可回收重熔再造，更有效利用了资源。铝无磁性反应，几乎不受磁场的影响。铝的表面亮度能反射热电波，因此使用于暖房器的反射板、照明器具等。
1.2.2 AlZnMg系合金的特点
AlZnMg系合金表示合金元素主要以Zn、Mg的铝合金，主要的强化相η(MgZn2)和Т(Al2Mg3Zn3)在α固溶体中，该系合金中 Zn、Mg及 Cu 含量较高，通过固溶时效强化，从而改变其材料力学性能。随着Zn、Mg的增加，使得材料的强度、硬度增加，而塑性、断裂韧性下降。因此，在合金中添加一定量的Cu可显著改善其塑性和耐应力腐蚀性能，同时形成θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg)，可提高合金强度。
超硬铝合金中加入其他元素如Mn、Cr、Ti等可进一步提高合金的组织和力学性能，从而改变其塑性、韧性和耐腐蚀性。该系铝合金通常在淬火时加入自然时效和人工时效使用，采用多级时效的方法还可以进一步改善合金耐应力腐蚀性能，进一步消除了内应力影响并大大缩短时效时间。
1.2.3 AlZnMgCu合金的特点
本文所研究的AlZnMgCu合金是7000系铝合金中强度最高的一类铝合金，也称超硬铝合金。这是一种可变形可热处理的超硬铝合金，具有高强高韧和优异的耐腐蚀性能。三种金属元素Zn、Mg、Cu在Al基体中形成三元固溶体S相(Al2CuMg)和Т相(Al2Mg3Zn3)，Zn 与 Mg元素形成η相(MgZn2)，Cu与Mg和Al结合生成Al2CuMg相和θ相(Al2Cu)[5]。材料中的金属化合物使得AlZnMgCu系合金获得较高的综合力学性能，较好的抗腐蚀性和优良的加工性。
AlZnMgCu系合金的强度主要取决于沉淀强化，决定其强化效果的因素有时效析出相的尺寸、分布和形态。固溶处理使得固溶体饱和程度的增加，使得时效析出相的数量增减，从而使强化效果增加[6]。通过固溶处理可提高合金元素的过饱和程度，但在高温固溶时容易发生合金再结晶化。因此合金元素的固溶程度和再结晶程度对淬火和时效都产生了很大影响，并且从而影响合金最终的强度、塑韧性等。除此之外，多级时效处理对AlZnMgCu合金第二相的形成及合金力学性能都有很大的影响，且在再时效之前增加自然时效，可以提高合金的力学性能[7,8]。
目录
1绪论 1
1.1 AlZnMgCu合金研究背景 1
1.2 铝合金的特点 1
1.2.1 铝的特点 1
1.2.2 AlZnMg系合金的特点 2
1.2.3 AlZnMgCu合金的特点 2
1.3 应变速率对AlZnMgCu合金组织及力学性能的研究进展 2
1.3.1应变速率对AlZnMgCu合金组织性能的研究进展 2
1.3.2应变速率对AlZnMgCu合金力学性能的研究进展 3
1.4 课题研究内容和技术路线 3
1.4.1 课题研究内容 3
1.4.2 课题研究技术路线 4
2 实验材料及方法 5
2.1 试样制备 5
2.2 热处理机制 6
2.3 显微组织表征 6
2.4 力学性能测试 6
3 Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金显微组织及力学性能分析 7
3.1显微组织 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.1.1 挤压态显微组织 7
3.1.2 T6态显微组织 7
3.2拉伸力学性能分析 8
3.2.1 挤压态拉伸力学性能 8
3.2.2 T6态拉伸力学性能 9
3.2.3 拉伸断口形貌分析 10
3.3压缩实验力学性能分析 12
3.3.1压缩实验过程 12
3.3.2挤压态Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金压缩力学性能分析 12
3.4.3 T6态Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金压缩力学性能分析 13
3.4 本章小结 14
4 应变速率对Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金本构方程分析 15
4.1 本构方程 15
4.2 本章小结 17
5 结论 18
参考文献 19
致谢 21
1绪论
1.1 AlZnMgCu合金研究背景
铝合金在我国的制造业中应用十分普遍，其产量高仅次于钢。随着当代社会对航空飞机，交通工具等的高度重视，对材料的综合性能需求更加严苛。先进科学技术的不断深入发展，使得材料机械设计对材料的综合性能、安全性能、使用寿命等方面要求的不断提高，新一代研究的高强高韧铝合金材料需要具有更好的综合力学性能，需要有更高的强度、塑韧性、耐腐蚀性能和更好的材料加工性能。在保证性能的前提下，使材料的轻量化能够更好地实现节能环保的功能[1~4]，因此，航空航天器件的轻量化就要求铝合金结构材料具有更高的强度和高韧性。
基于以上要求，研究者们研发出一系列超高强AlZnMgCu系铝合金。然而，由于该系铝合金中合金元素含量较高，使得析出相在晶界周围聚集，合金沿晶界开裂，材料的断裂塑韧性和抗应力腐蚀能力下降，材料零件的使用寿命受到很大限制。本实验旨在探讨应变速率参数对AlZnMgCu合金的微观组织和力学性能的影响，并得到最佳组合的强度和延展性，从而满足汽车零部件、飞机机翼机肋等的设计要求。
1.2 铝合金的特点
1.2.1 铝的特点
铝是一种轻金属，其密度小为2.7g/cm3，熔点低为（660℃），具有良好的导电导热性及延展性，化学性能稳定。由于在空气中，铝能在表面形成致密的Al2O3氧化膜，因此具有良好的耐腐蚀性。铝的晶体结构为面心立方结构，塑性高，强度低，不能用来制造承受载荷较大的机械构件，通过向铝中添加合金元素制成铝合金改变其组织结构，从而提高其综合力学性能，加入铝合金中的合金元素有Mg、Zn、Mn、Cu等。铝的加工性较好，可利用加工成线、棒、挤压型材料，挤压型材料在铝的用量占较大比例。铝无毒，在食品行业应用较广泛，如食品外包装、家庭使用的五金极其多，铝的价格虽然比一般钢材高，但可回收重熔再造，更有效利用了资源。铝无磁性反应，几乎不受磁场的影响。铝的表面亮度能反射热电波，因此使用于暖房器的反射板、照明器具等。
1.2.2 AlZnMg系合金的特点
AlZnMg系合金表示合金元素主要以Zn、Mg的铝合金，主要的强化相η(MgZn2)和Т(Al2Mg3Zn3)在α固溶体中，该系合金中 Zn、Mg及 Cu 含量较高，通过固溶时效强化，从而改变其材料力学性能。随着Zn、Mg的增加，使得材料的强度、硬度增加，而塑性、断裂韧性下降。因此，在合金中添加一定量的Cu可显著改善其塑性和耐应力腐蚀性能，同时形成θ相(Al2Cu)和S相(Al2CuMg)，可提高合金强度。
超硬铝合金中加入其他元素如Mn、Cr、Ti等可进一步提高合金的组织和力学性能，从而改变其塑性、韧性和耐腐蚀性。该系铝合金通常在淬火时加入自然时效和人工时效使用，采用多级时效的方法还可以进一步改善合金耐应力腐蚀性能，进一步消除了内应力影响并大大缩短时效时间。
1.2.3 AlZnMgCu合金的特点
本文所研究的AlZnMgCu合金是7000系铝合金中强度最高的一类铝合金，也称超硬铝合金。这是一种可变形可热处理的超硬铝合金，具有高强高韧和优异的耐腐蚀性能。三种金属元素Zn、Mg、Cu在Al基体中形成三元固溶体S相(Al2CuMg)和Т相(Al2Mg3Zn3)，Zn 与 Mg元素形成η相(MgZn2)，Cu与Mg和Al结合生成Al2CuMg相和θ相(Al2Cu)[5]。材料中的金属化合物使得AlZnMgCu系合金获得较高的综合力学性能，较好的抗腐蚀性和优良的加工性。
AlZnMgCu系合金的强度主要取决于沉淀强化，决定其强化效果的因素有时效析出相的尺寸、分布和形态。固溶处理使得固溶体饱和程度的增加，使得时效析出相的数量增减，从而使强化效果增加[6]。通过固溶处理可提高合金元素的过饱和程度，但在高温固溶时容易发生合金再结晶化。因此合金元素的固溶程度和再结晶程度对淬火和时效都产生了很大影响，并且从而影响合金最终的强度、塑韧性等。除此之外，多级时效处理对AlZnMgCu合金第二相的形成及合金力学性能都有很大的影响，且在再时效之前增加自然时效，可以提高合金的力学性能[7,8]。
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