7055鋁合金材料性能

1、一,AA 7055鋁合金材料性能摘要7055鋁合金是目前最先進的商用高強高韌鋁合金，具備極高的強度、較好的韌性以及良好的抗應(yīng)力腐蝕性，具有廣泛的應(yīng)用前景。材料在復雜的服役環(huán)境中可能受到各種不同載荷的作用，對材料在不同加載條件下力學行為的研究是完善材料開發(fā)、應(yīng)用以及進行新材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)對7055鋁合金的研究尚處于起步階段，對于這類新型高性能鋁合金在不同加載條件下的力學行為研究仍然十分匱乏，同時，目前也沒有一個被廣泛接受的本構(gòu)模型能對該類材料在大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)力學行為進行準確描述。另外，作為目前研究材料動態(tài)力學行為最為常用的實驗設(shè)備分離式霍普金森壓桿（SHPB）和分離式霍普

2、金森拉桿（SHTB），在實驗方法和實驗技術(shù)上尚未形成完善、統(tǒng)一的標準，有待進一步的研究和發(fā)展，譬如SHPB實驗中實現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的實驗參數(shù)選取問題，以及SHTB實驗中的試樣連接方式等?；谝陨媳尘?，本文首先針對SHPB和SHTB實驗方法開展了研究和改進工作；然后，較為系統(tǒng)地研究了美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的AA7055-T77鋁合金在不同溫度和應(yīng)變率下的力學性能及行為，結(jié)合微觀組織分析對其部分機理進行了初步研究，根據(jù)實驗結(jié)果對Johnson-Cook本構(gòu)模型進行了修正，并對本構(gòu)模型的適用性進行了檢驗和討論；最后，為評估AA7055鋁合金的高速撞擊特性，對AA7055鋁合金和參考材料在高速撞擊下的厚板成坑行

3、為進行了研究和對比分析。本文主要的研究內(nèi)容如下：第一，基于一維應(yīng)力波理論推導出一個應(yīng)變率預(yù)估公式，以預(yù)估公式為核心，提出了一種可方便實現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的SHPB實驗方案設(shè)計方法，并通過數(shù)值仿真與實驗對該方法進行了演示和驗證。第二，設(shè)計了一種用于SHTB裝置的楔形卡口式試樣連接方式，并通過數(shù)值仿真及實驗測試證明了這種卡口式連接方式是有效可行的。第三，利用Gleeble熱模擬試驗機對AA7055鋁合金在不同溫度下的低應(yīng)變率單軸壓縮性能進行了測試，溫度范圍為300750K，加載應(yīng)變率分別為0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHPB及改進試樣連接方式的SHTB裝置對其在常溫下的動態(tài)壓縮性能

4、和動態(tài)拉伸性能進行了研究，應(yīng)變率測試范圍為：動態(tài)壓縮時9005000s-1，動態(tài)拉伸時5001600s-1；獲得了AA7055鋁合金在以上加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和力學行為。第四，基于AA7055鋁合金的實驗結(jié)果，提出了一個包含臨界轉(zhuǎn)變溫度哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文的溫度效應(yīng)附加函數(shù)、一個耦合溫度的應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)和一個包含有效應(yīng)變的分段應(yīng)變硬化函數(shù)，綜合以上結(jié)果，提出了一個具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。利用該修正模型對7050-T7451鋁合金在較大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的流動應(yīng)力進行了預(yù)測，得到的結(jié)果與實驗結(jié)果符合的較好；同時，該修正模型高溫下簡化形式對AA7055鋁合金

5、在本文研究范圍內(nèi)的流動應(yīng)力預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果符合得較好，得到的結(jié)果均優(yōu)于Johnson-Cook模型。說明本文提出的修正Johnson-Cook模型對于鋁合金材料具有較好的適用性。第五，對45%體積分數(shù)SiCp/2024Al復合材料、2024鋁合金及2A12鋁合金也進行了部分測試，獲得了這3種參考材料的部分力學性能和材料參數(shù)。參考材料的實驗結(jié)果以及文獻中的實驗數(shù)據(jù)表明，本文提出的溫度效應(yīng)附加函數(shù)同樣適用于參考材料以及部分其它材料。第六，在單次動態(tài)壓縮的基礎(chǔ)上，利用SHPB對AA7055鋁合金和2024鋁合金進行不同次數(shù)的循環(huán)動態(tài)壓縮測試，通過對宏觀應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和微觀組織變化綜合分析，研究了AA

6、7055鋁合金動態(tài)壓縮時剪切局部化的發(fā)展過程。發(fā)現(xiàn)了鋁合金動態(tài)壓縮時試樣內(nèi)部剪切局部化的形成機理和發(fā)展規(guī)律。最后，利用二級輕氣炮系統(tǒng)研究了AA7055鋁合金、45%體積分數(shù)SiCp/2024Al復合材料和2A12鋁合金的厚板結(jié)構(gòu)在高速撞擊下的成坑行為，撞擊條件分別為：4.76mm直徑2017鋁合金球形彈丸，速度范圍為1.404.47km/s；5mm直徑GCr15鋼球彈丸，速度范圍為1.562.36km/s。并對AA7055鋁合金和2A12鋁合金靶板上彈坑周圍的微觀組織進行了金相觀察和分析。結(jié)果表明，靶板材料的力學性質(zhì)對成坑的尺寸與形貌都有顯著的影響，成坑深度與材料強度成反比。本文發(fā)展和改進了S

7、HPB和SHTB實驗方法；較系統(tǒng)地獲得了AA7055-T77鋁合金的力學性能，并初步獲得了其部分力學行為的微觀機理，建立了表征該類材料在不同溫度和應(yīng)變率下力學行為的本構(gòu)模型。本文取得的研究成果對動態(tài)力學性能測試方法和7055鋁合金等新型超高強鋁合金的材料設(shè)計、開發(fā)以及工程應(yīng)用具有一定的指導意義和參考價值。二，合金的顯微組織及其演變噴射成形坯顯微組織觀察及其物相分析 對噴射成形坯件不同部位的組織進行了顯微觀察，對比圓心處，截面半徑中點處和邊緣處三處的金相組織可知，三處金相組織非常接近，晶粒均為等軸狀，粒度宏觀均勻，主要在2030 m，組織無明顯宏觀偏析。晶內(nèi)彌散分布著大量細小的一次析出相， 晶界

8、上則析出不連續(xù)的條狀相。 噴射成形坯的XRD譜如圖3所示。經(jīng)分析得知噴射成形坯組織主要由(Al)和MgZn2組成，同時有少量的Al2Cu和Al2CuMg。 擠壓態(tài)顯微組織觀察 所示為經(jīng)過熱擠壓的金相組織。經(jīng)過擠壓后，等軸晶被破碎，組織明顯的致密化，且第二相分布更加均勻，整體上孔隙基本消除。組織有明顯的方向性，析出相沿擠壓方向分布。三，7055鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望高強鋁合金具有密度低、強度高、加工性能好及焊接性能良好等特點,被廣泛應(yīng)用于航天航空及民用等領(lǐng)域。7055鋁合金是新型高強鋁合金中的杰出代表,它是在7050鋁合金基礎(chǔ)上增加Zn和Cu的含量、降低Fe和Si雜質(zhì)的含量而開發(fā)出的一種新型鋁合

9、金。研究結(jié)果表明,7055鋁合金比7050鋁合金具有更高的強度,同時具有較強的斷裂韌性1。美國鋁業(yè)公司生產(chǎn)的7055T77合金板材強度比7150的高 出10%,比7075的高出30%2 。近年來,國內(nèi)外正在大力開發(fā)強度更高、韌性及耐腐蝕性能更好的新一代7055及7x55鋁合金,其中在優(yōu)化合金成分、改善合金組織結(jié)構(gòu)、開發(fā)新的熱處理制度方面研究較多四，熱處理對7055鋁合金的影響 高強鋁合金熱處理的目的是通過選擇合理的工藝參數(shù), 達到MPt、GBP、PFZ3個組織參數(shù)間的最佳配合,使合金得到良好的綜合性能。超高強鋁合金7055的熱處理主要包括均勻化、固溶淬火、時效等工藝,其中時效工藝又包括單級時效

10、、雙級時效、回歸再時效和形變時效。1 均勻化 眾所周知,所有金屬和合金凝固時都存在枝晶偏析,必須通過均勻化處理消除或降低晶內(nèi)化學成分和組織的不均勻性,消除或降低鑄錠的內(nèi)應(yīng)力,促使第二相溶解,減小第二相的體積分數(shù),并提高合金元素在基體中的固溶度,從而增大合金的強度。然而7055鋁合金合金元素含量高,因此均勻化比較困難。 400 以下均勻化,半連續(xù)激冷鑄造的過飽和固溶體分解析出平衡相,基體過飽和程度下降導致合金的硬度下降而電導率上升。400 以上均勻化,一方面,枝晶偏析逐漸消除;另一方面,析出的平衡相又回溶到固溶體基體中,基體過飽和程度增大,合金的硬度增加而電導率則隨之下降16,25。均勻化溫度越

11、高,平衡相溶解越充分,合金的電導率下降越多,同時,合金晶粒粗化,合金的硬度隨之下降,過飽和固溶體分解析出Al3Zr粒子16。有研究表明450 /24h是較為理想的均勻化條件 16,252,固溶淬火 7055鋁合金為時效強化合金,固溶處理是提高其性能的重要工序之一。合金元素的固溶程度、再結(jié)晶程度及晶粒尺寸對后續(xù)淬火及時效行為都將產(chǎn)生很大影響,從而影響合金最終的強度、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕等性能17。 固溶溫度的升高可提高合金時效后的硬度和強度,這是因為固溶溫度使合金淬火后得到更高的溶質(zhì)和空位濃度,有利于細小沉淀相均勻彌散析出;但是溫度太高會導致偽共晶 組織熔化,產(chǎn)生過燒組織。張新明等18 認為,7055鋁合金固溶時,粗大的初生AlZnMgCu相溶解緩慢,并逐漸球化,而初生AlZnMgCuF