累積疊軋7075-1100鋁合金多層復(fù)合板材力學(xué)性能研究.pdf

1、在過去的十年中，晶粒尺寸在1μm以下的納米晶和超細(xì)晶激起了人們的極大興趣，這是因?yàn)?，與傳統(tǒng)金屬材料相比它們有優(yōu)異的力學(xué)性能：強(qiáng)度和延展性。因此，超細(xì)晶材料在汽車和航空領(lǐng)域中，作為高耐久性的結(jié)構(gòu)組件，有極大的潛在空間。
　　在此研究中，運(yùn)用一種叫做累積疊軋的劇烈塑性變形技術(shù)加工了AA7075/AA1100多層復(fù)合板，以此通過產(chǎn)生超細(xì)晶的微觀組織來改善其力學(xué)性能。累積疊軋是一種在金屬合金中產(chǎn)生超細(xì)晶或亞微米晶粒的優(yōu)異加工技術(shù)。

2、　　在累積疊軋過程中，用鋼絲刷將樣品表面的氧化物除去，相互之間堆垛在一起，以厚度方向變形量為50％進(jìn)行軋制。在軋制過程中結(jié)合的金屬板材（疊軋的名字由此而來）和這個(gè)生產(chǎn)過程可以重復(fù)數(shù)次。金屬材料在此過程中經(jīng)受了強(qiáng)烈的塑性和剪切變形，導(dǎo)致了超細(xì)晶的微觀組織的形成。
　　與其他的劇烈塑性變形方法相比較，累積疊軋技術(shù)其中的一個(gè)優(yōu)勢就是可以并入到工業(yè)生產(chǎn)中來產(chǎn)生大量的超細(xì)晶金屬板材，這個(gè)過程不需要對傳統(tǒng)軋制工廠做重大的改變。
　　平均

3、晶粒尺寸在1μm以下的超細(xì)晶金屬材料預(yù)期有更好的力學(xué)性能。為了將超細(xì)晶材料運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，它們必須有一定的體積尺度。對生產(chǎn)亞微米晶粒尺寸的塊狀的材料，累積疊軋是比較有前途的技術(shù)。在 SPD技術(shù)產(chǎn)生以前，金屬材料的晶粒細(xì)化都是通過傳統(tǒng)的塑性加工和隨后的退火處理導(dǎo)致的再結(jié)晶（不連續(xù)再結(jié)晶）得到的。通過傳統(tǒng)方法可得到的晶粒平均尺寸在10μm左右，傳統(tǒng)工業(yè)的冷軋總變形量在60-80%，相對應(yīng)的米塞斯應(yīng)變在1.06-1.86之間，然而 ARB工

4、藝的應(yīng)變可能達(dá)到4.0。這就使變形金屬產(chǎn)生大量超細(xì)晶顯微結(jié)構(gòu)成為可能。
　　本研究工作的主要目的是，通過累積疊軋變形技術(shù)和后續(xù)的人工時(shí)效來同時(shí)提高AA1100/AA7075多層復(fù)合板的強(qiáng)度和延展性。同時(shí)，其他的一些目的有：(i)是否本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的力學(xué)性能要比其他文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的好或者比經(jīng)過 ARB變形的其他相似金屬材料的性能好；(ii)是否可以通過 ARB后續(xù)技術(shù)改善材料的機(jī)械性能，也就是在加工過的板材上運(yùn)用熱處理和其它的一些適用的技術(shù)

5、；(iii)研究AA1100/AA7075累積疊軋板材微觀組織的演變；(iv)優(yōu)化AA1100/AA7075板材的累積疊軋溫度，最后檢驗(yàn)組份材料（高強(qiáng)AA7075鋁合金和高延展性 AA1100純鋁）聯(lián)合作用的效果。
　　本研究主要集中在ARB加工的AA7075/AA1100超細(xì)晶金屬板材，由于它們高的比強(qiáng)度，對于汽車和航空領(lǐng)域的輕量化結(jié)構(gòu)尤其有意義。本研究中的疊軋第一步是在470°C下通過第一道次加工一層復(fù)合板，然后通過后續(xù)的道次

6、繼續(xù)軋制，從初始厚度的11.4mm到1mm。在冷軋之前要進(jìn)行道次退火。由AA7075和AA1100組成的復(fù)合板被用作累積疊軋技術(shù)的初始材料。累積疊軋要進(jìn)行5個(gè)道次，每個(gè)道次的等效應(yīng)變?yōu)?.8。研究多層復(fù)合板的機(jī)械性能和微觀組織研究。
　　本研究工作中應(yīng)用的熱處理技術(shù)是T6，因?yàn)樗梢越o予AA7075鋁合金最佳的性能。由于AA1100是不能熱處理的并且只能通過應(yīng)變強(qiáng)化來增強(qiáng)，因此T6技術(shù)是本研究中對累積疊軋板材最好的熱處理方式。

7、r>　　本研究中通過拉伸實(shí)驗(yàn)和顯微硬度實(shí)驗(yàn)分析了材料的力學(xué)性能。拉伸實(shí)驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延展性被作為材料的性能指標(biāo)。事實(shí)就是這樣，屈服強(qiáng)度
　　賦予了材料的工作強(qiáng)度以避免在服役過程中出現(xiàn)災(zāi)難性的失效?？估瓘?qiáng)度表示材料或組件在最終突然斷裂之前所能承受的最大應(yīng)力。結(jié)果表明，復(fù)合板的抗拉強(qiáng)度、屈服應(yīng)力要比初始材料的好。
　　為了找出淬硬性是否存在AA1100/AA7075累積疊軋復(fù)合板中，分析了顯微硬度。結(jié)果顯示，AA11

8、00/AA7075累積疊軋復(fù)合板的顯微硬度要比單一的材料好。
　　本研究中得到了超細(xì)晶顯微組織，正如期望的那樣，通過細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、超細(xì)晶材料的形成及界面反應(yīng)的共同作用可以得到一種高性能的材料。由于延展性是韌度的一個(gè)性能指標(biāo)，因此它的提高可以被認(rèn)為是韌度的改善。在多層板復(fù)合材料中，通過與AA1100純鋁的結(jié)合，由于疊軋的內(nèi)在和外在機(jī)制，AA7075鋁合金的延展性得到了提高。由于純鋁是易于延展的，在鋁片層之間有裂紋鈍化的發(fā)生。預(yù)

9、計(jì)會帶來一個(gè)改善的韌化層，并有望減少對界面強(qiáng)化的需求。與純鋁相比，單一的運(yùn)用AA7075鋁合金是昂貴的，因此AA1100和AA7075的結(jié)合在經(jīng)濟(jì)效益上是吸引人地，因?yàn)榕c單一運(yùn)用AA7075鋁合金相比來說花費(fèi)會降低。
　　本研究的結(jié)果清晰地顯示可以通過累積疊軋技術(shù)得到高強(qiáng)的超細(xì)晶塊狀鋁。實(shí)際上這是很重要的，因?yàn)檐堉剖钱a(chǎn)生塊狀材料的最合適工藝。如果此工藝運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)，我們可以通過一個(gè)沒有復(fù)雜的熱機(jī)械處理的簡單過程，可以不用合金元素

10、而得到高強(qiáng)而簡單的材料。這個(gè)符合最近社會上對循環(huán)和節(jié)省能源的需求。
　　本課題主要結(jié)論如下：
　?、匐S著累積疊軋次數(shù)的增加，鋁合金7075/1100多層復(fù)合板機(jī)械性能隨之增加。
　?、谠诒菊n題中，薄板機(jī)械性能提高所涉及到的強(qiáng)化機(jī)制主要包括：超細(xì)晶強(qiáng)化，應(yīng)變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。
　?、鄹邷乩鄯e疊軋是生產(chǎn)輕質(zhì)多層鋁板的有效技術(shù)手段。高的軋制溫度使得鋁板在軋制過程中得到更好的變形且板材多層之間

11、的結(jié)合也較好。
　?、茉诒菊n題累積疊軋工藝中，存在兩類變形機(jī)制的變化。一類是樣品表面區(qū)域的剪切變形到中心的平面應(yīng)變軋制。另一類是由于在反復(fù)的軋制過程中軋制方向不斷變化導(dǎo)致應(yīng)變路徑是雙向的，因此，晶粒細(xì)化的速度比常規(guī)軋制工藝快。
　　最后，由于通過累積疊軋技術(shù)加工得到的層狀復(fù)合板有較高的強(qiáng)度，因此建議AA7075/AA1100的運(yùn)用。這需要在工程上對層狀復(fù)合材料和超細(xì)晶材料的先進(jìn)應(yīng)用創(chuàng)新潛力要高，對生產(chǎn)這類材料在經(jīng)濟(jì)上是可行的