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(jìn)的商用高強(qiáng)高韌鋁合金，具備極高的強(qiáng)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(fù)雜的服役環(huán)境中可能受到各種不同載荷的作用，對(duì)材料在不同加載條件下力學(xué)行為的研究是完善材料開發(fā)、應(yīng)用以及進(jìn)行新材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)7055鋁合金的研究尚處于起步階段，對(duì)于這類新型高性能鋁合金在不同加載條件下的力學(xué)行為研究仍然十分匱乏，同時(shí)，目前也沒有一個(gè)被廣泛接受的本構(gòu)模型能對(duì)該類材料在大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確描述。另外，作為目前研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為最為常用的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上尚未形成完善、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展，譬如SHPB實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取問題，以及SHTB實(shí)驗(yàn)中的試樣連接方式等?；谝陨媳尘埃疚氖紫柔槍?duì)SHPB和SHTB實(shí)驗(yàn)方法開展了研究和改進(jìn)工作；然后，較為系統(tǒng)地研究了美國(guó)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(xué)性能及行為，結(jié)合微觀組織分析對(duì)其部分機(jī)理進(jìn)行了初步研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行了修正，并對(duì)本構(gòu)模型的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)和討論；最后，為評(píng)估AA7055鋁合金的高速撞擊特性，對(duì)AA7055鋁合金和參考材料在高速撞擊下的厚板成坑行

3、為進(jìn)行了研究和對(duì)比分析。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下：第一，基于一維應(yīng)力波理論推導(dǎo)出一個(gè)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(shí)現(xiàn)預(yù)定應(yīng)變率的SHPB實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)方法，并通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了演示和驗(yàn)證。第二，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)機(jī)對(duì)AA7055鋁合金在不同溫度下的低應(yīng)變率單軸壓縮性能進(jìn)行了測(cè)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(jìn)試樣連接方式的SHTB裝置對(duì)其在常溫下的動(dòng)態(tài)壓縮性能

4、和動(dòng)態(tài)拉伸性能進(jìn)行了研究，應(yīng)變率測(cè)試范圍為：動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)9005000s-1，動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)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(xué)行為。第四，基于AA7055鋁合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)包含臨界轉(zhuǎn)變溫度哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文的溫度效應(yīng)附加函數(shù)、一個(gè)耦合溫度的應(yīng)變率效應(yīng)函數(shù)和一個(gè)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(gè)具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。利用該修正模型對(duì)7050-T7451鋁合金在較大的溫度和應(yīng)變率范圍內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的較好；同時(shí)，該修正模型高溫下簡(jiǎn)化形式對(duì)AA7055鋁合金

5、在本文研究范圍內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(duì)于鋁合金材料具有較好的適用性。第五，對(duì)45%體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)合材料、2024鋁合金及2A12鋁合金也進(jìn)行了部分測(cè)試，獲得了這3種參考材料的部分力學(xué)性能和材料參數(shù)。參考材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)壓縮的基礎(chǔ)上，利用SHPB對(duì)AA7055鋁合金和2024鋁合金進(jìn)行不同次數(shù)的循環(huán)動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試，通過對(duì)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(dòng)態(tài)壓縮時(shí)剪切局部化的發(fā)展過程。發(fā)現(xiàn)了鋁合金動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)試樣內(nèi)部剪切局部化的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律。最后，利用二級(jí)輕氣炮系統(tǒng)研究了AA7055鋁合金、45%體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)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(duì)AA7055鋁合金和2A12鋁合金靶板上彈坑周圍的微觀組織進(jìn)行了金相觀察和分析。結(jié)果表明，靶板材料的力學(xué)性質(zhì)對(duì)成坑的尺寸與形貌都有顯著的影響，成坑深度與材料強(qiáng)度成反比。本文發(fā)展和改進(jìn)了S

7、HPB和SHTB實(shí)驗(yàn)方法；較系統(tǒng)地獲得了AA7055-T77鋁合金的力學(xué)性能，并初步獲得了其部分力學(xué)行為的微觀機(jī)理，建立了表征該類材料在不同溫度和應(yīng)變率下力學(xué)行為的本構(gòu)模型。本文取得的研究成果對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試方法和7055鋁合金等新型超高強(qiáng)鋁合金的材料設(shè)計(jì)、開發(fā)以及工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)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(duì)噴射成形坯件不同部位的組織進(jìn)行了顯微觀察，對(duì)比圓心處，截面半徑中點(diǎn)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(xì)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(shí)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?cái)D壓方向分布。三，7055鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望高強(qiáng)鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好及焊接性能良好等特點(diǎn),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(qiáng)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(qiáng)度,同時(shí)具有較強(qiáng)的斷裂韌性1。美國(guó)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的7055T77合金板材強(qiáng)度比7150的高 出10%,比7075的高出30%2 。近年來,國(guó)內(nèi)外正在大力開發(fā)強(qiáng)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(duì)7055鋁合金的影響 高強(qiáng)鋁合金熱處理的目的是通過選擇合理的工藝參數(shù), 達(dá)到MPt、GBP、PFZ3個(gè)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(qiáng)鋁合金7055的熱處理主要包括均勻化、固溶淬火、時(shí)效等工藝,其中時(shí)效工藝又包括單級(jí)時(shí)效

10、、雙級(jí)時(shí)效、回歸再時(shí)效和形變時(shí)效。1 均勻化 眾所周知,所有金屬和合金凝固時(shí)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(xué)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?jǐn)?shù),并提高合金元素在基體中的固溶度,從而增大合金的強(qiáng)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(dǎo)致合金的硬度下降而電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率下降越多,同時(shí),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(shí)效強(qiáng)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(duì)后續(xù)淬火及時(shí)效行為都將產(chǎn)生很大影響,從而影響合金最終的強(qiáng)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(shí)效后的硬度和強(qiáng)度,這是因?yàn)楣倘軠囟仁购辖鸫慊鸷蟮玫礁叩娜苜|(zhì)和空位濃度,有利于細(xì)小沉淀相均勻彌散析出;但是溫度太高會(huì)導(dǎo)致偽共晶 組織熔化,產(chǎn)生過燒組織。張新明等18 認(rèn)為,7055鋁合金固溶時(shí),粗大的初生AlZnMgCu相溶解緩慢,并逐漸球化,而初生AlZnMgCuF