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1、7059鋁合金的熱變形特性及熱加工圖第1章緒論1.1課題研究目的及意義7059鋁合金為Al-Zn-Mg-Cu系新型超高強(qiáng)鋁合金，具有較高抗拉強(qiáng)度、較好的耐蝕性，以及優(yōu)良的加工性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，成為該領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料之一[1-4]。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)航空航天材料的性能要求越來(lái)越高，而減輕材料的重量，是目前航空航天材料研究的主要方向之一。眾所周知，降低材料密度是減輕重量、提高比強(qiáng)度的最有效的方法之一，這也促進(jìn)了超高強(qiáng)鋁合金在飛機(jī)工業(yè)上的廣泛應(yīng)用[5,6]。美國(guó)與歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在飛機(jī)工業(yè)生產(chǎn)制造
2、方面，其飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的三成以上，仍然采用的是Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金[7,8]。鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料，在民用客機(jī)制造領(lǐng)域具有不可替代的作用，在目前的生產(chǎn)制造方面和新型客機(jī)的研制方面，鋁合金仍然是結(jié)構(gòu)材料的首選。而在軍用飛機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料和鈦合金在大型整體構(gòu)件上的應(yīng)用取代了一部分鋁合金的用量，但是無(wú)法改變鋁合金在該領(lǐng)域的核心地位，尤其是在高強(qiáng)高韌材料方面，鋁合金的需求不降反增。針對(duì)超高強(qiáng)度鋁合金材料，新一代各用途大飛機(jī)提出了更嚴(yán)格的性能綜合匹配的要求[9]，因此材料科研工競(jìng)相投入研究開(kāi)發(fā)，試圖通過(guò)優(yōu)化合金成分、熱加工以及熱
3、處理工藝等手段來(lái)達(dá)到這一目的。這些研究，充分證明該系合金在航空航天工業(yè)中不可撼動(dòng)的地位[10-13]。對(duì)于7059鋁合金這種新型合金的變形，目前還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文深入研究7059鋁合金熱變形特性、變形過(guò)程中微觀組織的變化，構(gòu)建合金的熱變形本構(gòu)方程和熱加工圖，進(jìn)而得到最優(yōu)化的熱加工工藝參數(shù)，研究結(jié)果對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金的熱加工工藝提供理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用。.........1.27xxx系鋁合金的發(fā)展現(xiàn)狀早在1920年，Al-Zn-Mg系鋁合金已開(kāi)始引起材料界各國(guó)科研人員的關(guān)注，德國(guó)科學(xué)家最先發(fā)現(xiàn)Mg、Zn元素在鋁合金
4、固溶時(shí)效后會(huì)形成大量MgZn2析出相，使該系合金有著較高的力學(xué)性能[14-16]。日本科學(xué)家在20世紀(jì)30年代通過(guò)增加合金主元素(Zn、Mg、Cu)等，開(kāi)發(fā)出了著名的超高強(qiáng)度鋁合金ESD并憑借其較好的綜合性能率先在飛機(jī)制造業(yè)中得到應(yīng)用。該合金的成功應(yīng)用，使各國(guó)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系合金更加重視。1943年是Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的發(fā)展歷程中具有紀(jì)念意義的一年，美國(guó)科學(xué)家J.A.諾克通過(guò)優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出至今仍在廣泛應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋁合金7075鋁合金[17-19]。1960年通過(guò)T73雙級(jí)過(guò)時(shí)效熱處理技術(shù)，使得7075
5、合金的得到廣泛應(yīng)用。1956年，前蘇聯(lián)學(xué)者研制出當(dāng)時(shí)合金化程度和強(qiáng)度最高的B96合金[20]，為Al-Zn-Mg-Cu系合金的研究指明了方向。1960年，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)提高Zn/Mg比，開(kāi)發(fā)出7049鋁合金。在此之后該團(tuán)隊(duì)又在7075合金成分基礎(chǔ)上作出創(chuàng)新，研制出Al-Zn-Mg-Cu系合金中斷裂韌性最高的7475合金[21,22]，并成功應(yīng)用于軍用飛機(jī)上。1971年，美國(guó)科學(xué)家以7075合金成分為基礎(chǔ)，增加Zn、Cu含量，并用Zr代替Cr開(kāi)發(fā)出7050鋁合金，憑借優(yōu)良的綜合性能，成為抗壓結(jié)構(gòu)件的首選材料[21-23]。1980年
6、前后，美國(guó)鋁業(yè)公司在7050和7150合金基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的提高Zn/Mg比，并降低雜質(zhì)含量，研制出超高強(qiáng)7055鋁合金[24-26]。在2000年初，法國(guó)科學(xué)家在7055鋁合金基礎(chǔ)上，通過(guò)提高合金Zn含量的同時(shí)，降低Mg、Cu含量，提高合金的Zn/Mg比，開(kāi)發(fā)出具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性的7056鋁合金，該材料在航空航天領(lǐng)域中有廣泛前景[27-29]。..........第2章實(shí)驗(yàn)材料及方法2.1實(shí)驗(yàn)材料本論文所用的實(shí)驗(yàn)材料為鑄態(tài)7059鋁合金。合金鑄錠由東北輕合金有限責(zé)任公司提供，其化學(xué)成分如表2-1所示。........2.2高溫
7、壓縮實(shí)驗(yàn)采用線切割技術(shù)從7059鑄錠上切下若干個(gè)熱加工試樣，壓縮試樣尺寸為Φ8mm12mm。高溫?zé)釅嚎s在型號(hào)為Gleeble-1500D的熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2-1所示，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2-2，實(shí)驗(yàn)工藝如圖2-2所示。高溫壓縮實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為型號(hào)Gleebl-1500D的熱模擬試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)工作原理如圖2-1所示。該設(shè)備采用計(jì)算機(jī)程序可以精確控制變形條件，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。在壓縮過(guò)程中，壓頭和試樣之間存在摩擦，進(jìn)而會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的誤差增大，因此在壓縮之前，試樣兩端黏貼一層薄石墨片來(lái)起潤(rùn)滑作用從而減小摩擦。
8、試樣的加熱方法采用真空下電阻加熱，溫度由熱電偶實(shí)時(shí)控制，該熱偶焊在試樣側(cè)面的中部。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程需在真空下完成，真空度達(dá)到初真空狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)利用試驗(yàn)機(jī)的微機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采集。本實(shí)驗(yàn)選用的變形溫度為330℃~450℃，應(yīng)變速率為0.01
