电脉冲对2024铝合金力学性能及微观组织影响研究

摘要........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................ I II 目录...................................................................................................................................... VII 第一章绪论 ...................................................................................................................... - 1 -1.1 金属材料的电效应.. (1)

1.1.1 电效应的发现...................................................................................... - 1 -

1.1.2 电效应的机理...................................................................................... - 2 - 1.2 电流对金属材料力学性能的影响.. (5)

1.2.1 直流电对材料力学性能的影响.......................................................... - 5 -

1.2.2 高频电脉冲对材料力学性能的影响.................................................. - 6 -

1.2.3 低频电脉冲对材料力学性能的影响.................................................. - 7 - 1.3 电流对金属材料微观组织的影响.. (8)

1.3.1 电脉冲处理对材料微观组织的影响.................................................. - 8 -

1.3.2 电脉冲对塑性变形组织的影响.......................................................... - 9 -

1.3.3 电脉冲对超塑变形组织的影响........................................................ - 11 - 1.4 金属电效应工艺应用研究 (12)

1.4.1 拔丝.................................................................................................... - 12 -

1.4.2 轧制.................................................................................................... - 13 -

1.4.3 损伤修复............................................................................................ - 14 -

1.4.4 其他.................................................................................................... - 15 - 1.5 铝合金电效应研究关键问题.. (15)

1.6 本文主要研究内容及意义 (17)

1.7 论文章节安排 (17)

第二章电脉冲处理对2024铝合金析出相的影响及电脉冲回归(EPR)现象 ........... - 21 -2.1 引言 (21)

2.2 铝合金的析出强化 (21)

2.2.1 自然时效Al-Cu-Mg合金析出相及强化原理 ................................. - 21 -

2.2.2 Al-Cu-Mg合金的加热回归现象及其机理...................................... - 22 -

2.2.3 Al-Cu-Mg合金的Portevin-Le Chatelier(PLC)效应及其机理........ - 23 -

2.3 铝合金的电脉冲回归(EPR)现象 (24)

2.3.1 实验设计............................................................................................ - 24 -

2.3.2 EPR现象的发现 ............................................................................... - 26 -

2.3.3 EPR现象的微观机理 ....................................................................... - 28 -

2.3.4 电脉冲处理参数对回归效果的影响................................................ - 30 -

2.3.5 电脉冲回归后材料的时效硬化现象................................................ - 33 -

2.3.6 电脉冲处理时热效应的影响............................................................ - 36 - 2.4 电脉冲处理对PLC效应的影响 .. (39)

2.4.1 电脉冲处理后PLC效应的再次出现及其原因............................... - 39 -

2.4.2 再次时效过程中PLC效应的减弱................................................... - 39 - 2.5 本章小结. (41)

第三章电脉冲处理后再时效硬化模型........................................................................ - 43 -3.1 引言 (43)

3.2 时效析出模型 (43)

3.2.1 铝合金强化机理 ............................................................................... - 43 -

3.2.2 析出热力学模型................................................................................ - 44 -

3.2.3 析出动力学模型................................................................................ - 46 - 3.3 自然时效2024铝合金强化模型.. (49)

3.3.1 位错强化............................................................................................ - 49 -

3.3.2 晶界强化............................................................................................ - 50 -

3.3.3 固溶强化............................................................................................ - 50 -

3.3.4 析出强化............................................................................................ - 50 -

3.3.5 复合强化模型.................................................................................... - 52 -

3.3.6 屈服强度与硬度关系........................................................................ - 52 - 3.4 电脉冲处理后硬度恢复效应实验验证. (53)

3.4.1 析出动力学参数确定........................................................................ - 53 -

3.4.2 析出相相对转变比例系数................................................................ - 54 -

3.4.3 模型预测结果与实验结果对比分析................................................ - 55 - 3.5 本章小结. (57)

第四章电脉冲在塑性成形过程中对2024铝合金微观组织的影响.......................... - 59 -4.1 引言 (59)

4.2 塑性变形过程中金属微观组织变化特点 (59)

4.3 不同塑性变形阶段电脉冲作用效果 (61)

4.3.1 实验方案............................................................................................ - 61 -

4.3.2 在不同变形阶段材料变形抗力对电脉冲的响应............................ - 64 -

4.3.3 电脉冲效果和塑性变形量的关系.................................................... - 65 -

4.3.4 多次电脉冲的作用效果.................................................................... - 66 - 4.4 电脉冲施加数量和作用时机对铝合金塑性变形显微组织的影响.. (67)

4.4.1 电脉冲数量对塑性变形显微组织的影响........................................ - 67 -

4.4.2 在塑性变形中和变形后施加电脉冲对显微组织的影响................ - 70 - 4.5 电脉冲对不同热处理状态铝合金微观组织的影响.. (73)

4.5.1 实验方案............................................................................................ - 73 -

4.5.2 不同热处理状态铝合金的电塑性行为............................................ - 73 -

4.5.3 不同热处理状态铝合金电塑性拉伸后的断口形貌........................ - 75 -

4.5.4 不同热处理状态铝合金的电塑性拉伸后显微组织变化情况........ - 76 - 4.6 本章小结. (80)

第五章电脉冲参数对2024铝合金电塑性行为的影响.............................................. - 83 -5.1 引言 (83)

5.2 电脉冲参数对材料电塑性性能的影响 (83)

5.2.1 实验设计............................................................................................ - 83 -

5.2.2 实验结果............................................................................................ - 85 -

5.2.3 电脉冲参数影响分析........................................................................ - 87 - 5.3 塑性变形导致的电流密度变化对塑性行为的影响.. (88)

5.3.1 实验设计............................................................................................ - 88 -

5.3.2 恒定总电流和恒定电流密度对塑性行为的影响............................ - 88 - 5.4 脉冲开始施加时机对塑性性能的影响. (90)

5.4.1 实验设计............................................................................................ - 91 -

5.4.2 实验结果及分析................................................................................ - 91 - 5.5 脉冲处理对材料塑性恢复的影响 (92)

5.5.1 实验设计............................................................................................ - 93 -

5.5.2 实验结果及分析................................................................................ - 93 - 5.6 本章小结. (95)

第六章电脉冲处理引起的铝合金应力松弛效应........................................................ - 97 -6.1 引言 (97)

6.2 实验装置及方法 (97)

6.3 电脉冲参数与弯曲回弹减小的关系 (99)

6.3.1 脉冲次数的影响................................................................................ - 99 -

6.3.2 电流密度的影响.............................................................................. - 100 -

6.3.3 脉冲作用时间的影响...................................................................... - 102 - 6.4 电脉冲处理减小回弹的机理 (103)

6.4.1 材料的内应力和回弹...................................................................... - 103 -

6.4.2 应力松弛与回弹的关系.................................................................. - 104 -

6.4.3 电脉冲应力松弛效应及机理.......................................................... - 104 -

6.4.4 电脉冲参数与回弹减小的关系...................................................... - 105 - 6.5 本章小结.. (106)

第七章电脉冲对2024铝合金耐腐蚀性的影响........................................................ - 107 -

7.1 引言 (107)

7.2 铝合金的腐蚀类型及其机理 (107)

7.3 实验装置和方法 (108)

7.3.1 实验材料.......................................................................................... - 108 -

7.3.2 试件制备过程.................................................................................. - 108 -

7.3.3 腐蚀实验设计.................................................................................. - 109 - 7.4 电脉冲对自然时效2024铝合金耐腐蚀性的影响.. (111)

7.4.1 未去除包铝层.................................................................................. - 111 -

7.4.2 去除包铝层...................................................................................... - 113 - 7.5 电脉冲对人工时效2024铝合金耐腐蚀性的影响.. (115)

7.5.1 未去除包铝层.................................................................................. - 115 -

7.5.2 去除包铝层...................................................................................... - 118 - 7.6 本章小结.. (121)

第八章总结 .................................................................................................................. - 123 -8.1 研究总结.. (123)

8.2 论文主要创新点 (124)

参考文献............................................................................................................................ - 127 -攻读博士期间发表论文及参与科研情况 ....................................................................... - 143 -致谢.................................................................................................................................. - 145 -

第一章绪论

1.1金属材料的电效应

1.1.1电效应的发现

电流对金属材料电效应的发现始于对锌单晶的拉伸实验[1]。上世纪六十年代，前苏联学者Troitskii在研究锌单晶单轴拉伸时发现，锌单晶在变形过程中受到电子辐射时，其流变应力明显降低，韧性显著变化。随后，Troitskii[2]采用电容放电法研究了脉冲电流对Zn晶体在液氮温度下单轴拉伸变形行为的影响。

图1- 1 在78K温度下施加电脉冲后锌单晶的拉伸曲线[2]

从图1-1所示的拉伸曲线可以看出，在材料塑性变形阶段，当给材料施加电脉冲时，其拉伸载荷会发生突降，且放电电容的电压越高，所施加的电流密度越大，材料在电脉冲流过瞬间的载荷降低幅值越大。当电脉冲停止时，材料发生应力松弛现象。以上结果说明，电脉冲能显著降低材料的变形流动抗力，提高材料的塑性变形能力[2]。作为电流对金属材料电效应的一种，这一现象被称为电塑性效应(Electroplastic effect)。后来，大量的研究发现，利用脉冲电流还可以促进金属材料组织结构转变，进而改善材料力学性能[3]。因而，越来越多的学者尝试采用施加电流的方式对材料进行处理和加工。

采用电脉冲对材料进行处理或加工具有多方面的优势。在材料力学性能方面，利用电塑性效应进行塑性加工可明显降低金属的变形抗力，提高材料的塑性变形能力，减小甚至消除成形零件的残余应力和回弹[4][5]。在材料组织改性方面，电脉冲处理能在微观尺度内改变金属材料的组织形态，例如，修复材料显微损伤，提高疲劳寿命，促进塑性变形后材料的再结晶过程等，进而可显著改善金属材料的加工性能。上述优势在工业生产中可以带来一系列的好处。对生产设备而言，采用电塑性效应进行塑性加工，可以延