2124铝合金热变形机理分析及冲压工艺参数优化

为了研究2124铝合金的热变形性能,在不同温度与应变率条件下进行了热拉伸试验,获得材料应力-应变曲线。针对2124铝合金热变形特点,基于汉森-斯皮特尔模型建立了该材料的本构模型,并通过遗传算法优化模型参数。开发了汉森-斯皮特尔本构模型的ABAQUS用户材料子程序VUMAT,并将其用于双C件冲压成形分析。以冲压速度、压边力、摩擦系数和温度作为设计变量,成形件最大减薄率作为响应值建立Kriging代理模型,采用遗传算法对工艺参数进行优化。双C件热冲压试验结果表明,优化的工艺参数可以消除板料成形开裂缺陷,验证了本构模型与有限元模型的可靠性。

航空用2124铝合金高温拉伸试验研究

高温下的力学性能对于选用和开发高温材料具有重要意义。对航空用2124铝合金进行了高温拉伸试验研究,比较分析不同的试样尺寸、加热温度、保温时间和拉伸速率对高温拉伸试验结果的影响。试验结果表明:温度和拉伸速率对合金强度的影响非常明显,对塑性的影响不明显;尺寸和保温时间对合金强度和塑性的影响都不太明显。

时效温度对2124铝合金蠕变时效组织和力学性能的影响

通过力学性能测试和透射电镜观察等手段,研究了时效温度对2124铝合金蠕变时效组织和力学性能的影响。结果表明:在200 MPa应力作用下,随着蠕变时效时间的增加、时效温度的提高,2124铝合金蠕变曲线先减速后保持速率稳定,材料的应变量提高。时效温度从185℃升高到190℃,随时效时间延长,合金的强度提高,在190℃/12 h后合金的强度达到峰值,其抗拉强度Rm、屈服强度Rp_(0.2)和断后伸长率A分别为443.5 MPa、352.3 MPa和11.55%。此时基体内析出大量尺寸细小的S″相和S′相,经195℃/12 h时效处理之后,合金基体内析出部分粗大的平衡相S相,进入过时效阶段,性能下降。

2124铝合金的均匀化热处理

采用光学显微镜、差热分析、扫描电镜、能谱分析、透射电镜和X射线衍射研究2124铝合金铸态与均匀化态的显微组织演化和成分分布。结果表明:2124铝合金的铸态组织枝晶偏析严重,在晶界存在很多低熔点共晶相,合金中元素Cu,Mg和Mn在晶内及晶界分布不均匀;经过均匀化处理后,2124铝合金组织中的非平衡相逐渐溶解,各组元分布趋于均匀;该合金的过烧温度为504℃,最佳均匀化制度为(490℃,24h),该制度与均匀化动力学方程得到的结论基本一致。

2124铝合金热轧厚板的热处理制度

通过室温拉伸性能测试和DSC,OM,TEM分析,研究了不同固溶处理和时效处理对2124铝合金40 mm厚板组织与性能的影响。结果表明:合金适宜的固溶温度为495～500℃,固溶时间为80～100 min;适当提高固溶温度或延长固溶时间,合金中过剩相的溶解程度增大,合金的固溶程度增大,因而合金强度提高,但过高的固溶温度或固溶时间使合金的伸长率降低;当淬火水温度在16～35℃范围内时,合金性能变化不大,但稍高水温淬火有利于提高合金的伸长率;随淬火转移时间的延长,合金的强度有所上升,但伸长率下降,为了提高合金的塑韧性,淬火转移时间应尽可能短;合金适宜的时效温度为185℃,时效时间为12 h,合金主要强化作用来源于S′和θ′过渡相的析出强化。

2124铝合金的热压缩变形和加工图

采用热模拟实验研究2124铝合金在应变速率为0.01-10s^-1、变形温度为340-500℃条件下的流变应力行为。结果表明：2124铝合金热变形过程中的流变应力可用双曲正弦本构关系来描述,平均激活能为170.13kJ/mol。根据动态材料模型,计算并分析2124铝合金的加工图。利用加工图确定热变形的流变失稳区,并且获得了实验参数范围内的热变形过程的最佳工艺参数,其热加工温度为450℃左右,应变速率为0.01-0.1s^-1。

基于末端淬火试验2124铝合金的淬透性

通过Jominy末端淬火实验研究2124铝合金的淬透性。利用温度数据采集、布氏硬度检测、差示量热法(DSC)和透射电子显微镜(TEM)等手段分析淬火冷却速率对时效后第二相析出行为的影响。结果表明:Jominy末端淬火2124铝合金室温水淬硬度下降小于10%的淬透深度大约为50 mm,该位置处合金在222.7～350.0℃温度区间的平均淬火冷却速率大于2.0℃/s;较低的淬火冷却速率致使过饱和的溶质原子和空位损失,导致时效析出相变驱动力不足,显著削弱了时效强化效果。

孔挤压强化对2124铝合金疲劳寿命及微观组织的影响

采用疲劳试验、透射电镜、扫描电镜及X射线衍射仪等方法研究了2124-T851铝合金厚板不同参数孔挤压强化后疲劳寿命与显微组织的变化。结果表明:孔挤压强化后试样的疲劳寿命先随挤压量的增大而升高,随后又迅速降低,挤压量为0.4 mm时疲劳寿命达到峰值,较未强化增加12.66倍;组织观察结果表明孔挤压强化后,在孔壁强化层内形成了位错胞状结构和残余压应力,并且随挤压量增大先迅速增加然后趋于平缓,强化层的形成可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率;同时,适当的孔挤压强化可改善表面粗糙度,降低裂纹萌生几率,从而提高材料的疲劳寿命。

初始状态对2124铝合金蠕变时效行为与力学性能的影响

通过光学、透射电子显微、蠕变与室温拉伸实验研究了2124铝合金板的蠕变时效行为与力学性能。结果表明:185℃/150MPa条件下,经固溶-淬火处理(QCA)板材的蠕变机制从位错增殖发展为位错增殖-消毁平衡,其蠕变曲线第一阶段与第二阶段分界点较为明显;而经固溶-淬火-预压缩处理(PCA)板材的蠕变机制主要为预压缩引入的位错消毁,蠕变曲线第一阶段特征并不明显。蠕变时效过程中,S′相的析出总是伴随着位错线形核,其析出方位受位错运动机制的影响,PCA处理初期,经预压缩引入的位错缠结使S′相可以在互相垂直的{210}面上析出,从而抑制了S′相的位向效应。PCA处理试样的力学性能优于该合金的T6和T87状态的,且各向异性小于QCA处理的。

热处理对2124铝合金热轧厚板组织与性能的影响

通过室温拉伸性能测试和DSC、TEM分析，对2124铝合金40mm厚板的热处理制度进行了研究。研究结果表明，合金主要强化相为S’和θ’过渡相；合金的适宜固溶温度为495-500℃，固溶时间为80—100min；适当提高固溶温度或延长固溶时间，合金中过剩相的溶解程度增大，提高了合金的固溶程度。从而提高合金的强度；合金适宜的时效温度为185℃，时效时间为12h。

2124铝合金时效成形回弹预测

为预测2124铝合金时效成形的回弹量,对时效成形过程进行了理论分析,提出了通过应力松弛量计算时效成形回弹的方法。进行了单向应力松弛试验,得到2124铝合金应力松弛行为的数学表达式,推导出回弹后零件半径的计算公式,并通过实验证明其有效。运用得到的公式研究了弯曲半径、零件厚度和时效时间对回弹量的影响,得到了相应的变化规律和回弹量的下限值,并且给出时效成形回弹成因的解释,并提出材料的应力松弛极限是时效成形回弹的成因之一。

时效处理对2124铝合金预拉伸厚板微观组织与腐蚀行为的影响

采用透射电镜、晶间腐蚀、剥落腐蚀实验和极化曲线测试等手段,研究经不同温度和时间时效处理后的2124铝合金预拉伸厚板的微观组织演变,并分析时效处理对合金腐蚀性能的影响。结果表明,随着时效温度的升高或时效时间的延长,合金晶内析出相由S'相向S相转变,析出相数量相逐渐增多,尺寸增大,合金晶界析出相呈链状分布且发生粗化,晶界附近出现无沉淀析出带并宽化;合金抗晶间腐蚀和剥落腐蚀能力减弱,腐蚀敏感性提高,合金的腐蚀倾向增大,腐蚀速率也呈增大的趋势。在时效过程中S'析出相、晶界析出相和无沉淀析出带的变化是影响合金预拉伸厚板腐蚀行为的主因。

2124铝合金蠕变时效本构方程

在185℃下,对2124铝合金试样进行了200、225和250MPa 3种应力水平下的多组单轴拉伸蠕变时效实验,发现在恒定温度下,实验应力越大,时效时间越长,蠕变行为就越明显;根据蠕变理论和实验曲线,建立了2124铝合金在185℃及不同应力水平下的本构方程;利用SPSS和Origin软件,得到了蠕变本构方程中的常数。蠕变实验数据点和拟合曲线的比较说明,所得的本构方程能较好地描述2124铝合金在185℃及不同应力条件下的蠕变行为.

2124铝合金蠕变时效中的析出位向效应(英文)

针对2124铝合金在人工时效、蠕变时效和预变形后蠕变时效3种不同状态下的力学性能与微观组织,研究了强化相的析出行为。结果表明,蠕变时效试样的力学性能比人工时效试样的明显下降,其中屈服强度下降了14%,抗拉强度下降了6.2%,伸长率下降了21%。而有形变的蠕变时效试样的力学性能则有明显改善,并接近人工时效试样的。此外,研究了2124铝合金蠕变时效过程中析出位向效应的形成与抑制机理,其关键在于位错的影响。

取向对含钪2124铝合金抗应力腐蚀开裂行为的影响

采用光学显微镜和扫描电镜等研究新型含钪2124铝合金两种不同取向试样在3.5%NaCl(质量分数)溶液中的应力腐蚀开裂行为,并对裂纹尖端形貌和腐蚀形貌进行分析。结果表明:该铝合金在应力腐蚀时首先发生阳极溶解,裂纹尖端晶界处大量聚集的腐蚀产物产生的楔入力和外加应力的共同作用促使预制裂纹在腐蚀介质中进一步沿晶界向纵深方向扩展;两种取向试样在全浸腐蚀时均发生明显的晶间腐蚀,容易发生应力腐蚀开裂;得到了不同取向试样的应力腐蚀裂纹扩展规律及应力腐蚀强度因子门槛值,并探讨取向对应力腐蚀开裂行为的影响。

变形条件对2124铝合金超厚板流变行为与显微组织的影响

在Gleeble-1500热／力机上进行了变形条件对2124铝合金超厚板流变行为与显微组织的影响规律的系列实验研究，得到了不同变形条件下2124铝合金超厚板高温压缩成形过程中的流变曲线。实验结果表明，2124铝合金在0．01s^-1～1s^-1范围内，高温压缩变形过程存在近稳态流变特征，近稳态流变应力随着应变速率的降低和变形温度的升高而降低。当应变速率为10s^-1时，真应力-真应变曲线出现锯齿状，说明合金发生动态再结晶现象。利用OM和TEM分别研究了变形温度、应变速率、应变量对2124铝合金高温压缩变形显微组织的影响，在此基础上，分析并建立了2124铝合金热压缩变形发生动态再结晶的临界条件。

热变形条件对2124铝合金流变应力和显微组织的影响

采用Gleeble热模拟试验机对2124铝合金进行热压缩试验,通过分析合金在高温塑性变形过程中的流变应力变化规律,以及利用光学显微镜和透射电镜观察合金在热变形过程中的显微组织演变,探讨了不同变形温度和应变速率对合金热塑性变形能力的影响。结果表明,2124铝合金在热变形中的流变应力稳态值随热变形温度的升高或应变速率的减小而增大,可用双曲正弦形式的本构方程来描述热变形条件和流变应力的关系,合金的变形激活能为170.13 k J/mol。在较低变形温度或较高应变速率下,热变形后合金组织中存在大量位错缠结和位错墙,软化机制主要为动态回复。随变形温度的升高或者应变速率的降低,该合金组织中出现了再结晶晶粒,软化机制逐渐向动态再结晶转变。

固溶处理对2124铝合金热轧厚板组织和拉伸性能的影响

采用室温拉伸性能测试、示差扫描量热分析、金相分析以及透射电镜分析,研究了2124铝合金热轧厚板在不同固溶温度与固溶时间处理下的拉伸力学性能、显微组织及其变化规律。结果表明:适当升高固溶温度或延长固溶时间,晶粒中未溶第二相较少,可提高合金的固溶程度,从而提高合金的强度,但过高固溶温度或过长固溶时间会使晶粒有长大的倾向,使合金的伸长率降低。根据试验结果确定了该合金的最佳固溶温度为498℃,固溶时间为80 min。

2124铝合金在加载时效时的变形特点

通过自制加载时效设备研究了2124-T4铝合金薄板在170℃和190℃下的加载时效过程。结果证明,自制设备能够定性连续地测量加载时效样品的变形;施加弹性应力在190℃或170℃时效可获得明显的不可恢复的变形;在时效加载过程随样品的快速升温可发生屈服载荷低于T4状态屈服载荷的现象;在190℃加载时效比在170℃加载时效获得的变形量更大,而且加载时效过程提早施加载荷以及增加加载时间均有利于变形量的增大。

2124铝合金255mm×1500mm铸锭专用铸造工具的设计

根据2124铝合金工艺特性和收缩系数,结合铸锭的规格,确定了铸造2124铝合金255 mm×1500 mm规格铸锭的结晶器、水冷系统、底座及漏斗的设计方案。