铸造Al-Cu-Mn合金强化相特性和热变形行为研究

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本文以砂型铸造的方法制备了Al-Cu-Mn合金试样,在固溶处理以后对试样进行不同时间的时效处理,对时效以后的合金试样进行热压缩试验。探究了不同时效时间对合金力学性能的影响以及时效后合金的热变形行为。合金试样首先在530℃的温度下固溶14h,然后在170℃的温度下分别时效6h、8h、10h与12h。通过拉伸测试、显微硬度测试、微观组织观察等方法探究时效时间对合金力学性能与微观组织形态的影响;通过试样断口形貌探究合金的断裂特性与断裂机制。得到以下结论:随着时效时间的增加,合金的屈服强度出现波动,总体上呈现先增大后减小的趋势,时效时间为10h时,合金的屈服强度最高,为75MPa;合金的抗拉强度与延伸率随着时效时间的增加先增大后减小,时效时间为8h时合金有最高的抗拉强度(492MPa)与延伸率(2.5%);随着时效时间的增加,合金的维氏硬度值逐渐降低,时效时间为6h时,合金的维氏硬度值最大,为174.9 HV。时效后Al-Cu-Mn合金的显微组织由α(Al)与第二相组成,第二相主要以断续的网状或骨骼状分布在晶粒边界,晶粒内部也有细小弥散的第二相分布,随着时效时间的增加,晶界处的无沉淀区(PFZ)越来越宽;合金的断裂方式以脆性断裂为主,局部区域出现韧性断裂。通过扫描电子显微镜、EDS元素分析与透射电子显微镜研究合金中第二相的种类、分布、形状以及尺寸;通过强化模型计算了各种强化机制对合金力学性能的贡献。结果表明:合金中的第二相主要有分布在晶界的粗大的θ相(Al2Cu)与分布在晶内的纳米级弥散析出相Ω相、θ′相与T相(Al20Cu2Mn3)。它们的尺寸与形状均有所区别,Ω相为厚度约17至30nm,直径为100nm左右的片状;θ′相为厚度约10nm,直径约50nm的片状,而T相(Al20Cu2Mn3)为长度约1μm的棒状;在本文所研究的Al-Cu-Mn合金中,析出相对合金抗拉强度的贡献最大,为382.3MPa,其次是固溶强化和细晶强化。在Gleeble-3500热模拟机上对时效时间为8h的Al-Cu-Mn合金进行了热变形实验,热变形温度为200℃、230℃、260℃与290℃,应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1与10s-1。热变形真应力-应变曲线表明,合金的流变应力对变形温度与应变速率非常敏感,随着变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力值逐渐减小,合金的流变应力曲线整体上表现出动态回复的特征。利用动态材料模型绘制了合金的热加工图,结果表明:合金的热加工性能随着应变速率与热变形温度的升高而降低。构建了描述合金热变形过程的本构模型,本构模型的相关系数与平均相对误差分别为96.2%与4.65%,说明本构模型有良好的预测精度。利用电子背散射衍射对不同热变形条件下的合金试样微观组织进行表征,探究合金在不同热变形条件下的微观结构演变,结果表明:本文所用铸造Al-Cu-Mn合金在热变形时的主要软化机制是动态回复,合金在热变形过程中的织构类型主要是轧制织构中的Goss织构({011}<100>),<111>∥X(cubic)与<110>∥X(cubic),且随着变形温度与应变速率的升高,合金中的轧制织构取向密度减小。
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