铝合金材料性能

一,AA 7055铝合金材料性能摘要
7055铝合金是目前最先进的商用高强高韧铝合金，具备极高的强度、较好的韧性以及良好的抗应力腐蚀性，具有广泛的应用前景。

材料在复杂的服役环境中可能受到各种不同载荷的作用，对材料在不同加载条件下力学行为的研究是完善材料开发、应用以及进行新材料及结构设计的基础。

目前，国内对7055铝合金的研究尚处于起步阶段，对于这类新型高性能铝合金在不同加载条件下的力学行为研究仍然十分匮乏，同时，目前也没有一个被广泛接受的本构模型能对该类材料在大的温度和应变率范围内力学行为进行准确描述。

另外，作为目前研究材料动态力学行为最为常用的实验设备——分离式霍普金森压杆（SHPB）和分离式霍普金森拉杆（SHTB），在实验方法和实验技术上尚未形成完善、统一的标准，有待进一步的研究和发展，譬如SHPB实验中实现预定应变率的实验参数选取问题，以及SHTB实验中的试样连接方式等。

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基于以上背景，本文首先针对SHPB和SHTB实验方法开展了研究和改进工作；然后，较为系统地研究了美国铝业公司生产的AA?7055-T77铝合金在不同温度和应变率下的力学性能及行为，结合微观组织分析对其部分机理进行了初步研究，根据实验结果对Johnson-Cook 本构模型进行了修正，并对本构模型的适用性进行了检验和讨论；最后，为评估AA?7055铝合金的高速撞击特性，对AA?7055铝合金和参考材料在高速撞击下的厚板成坑行为进行了研究和对比分析。

本文主要的研究内容如下：?
第一，基于一维应力波理论推导出一个应变率预估公式，以预估公式为核心，提出了一种可方便实现预定应变率的SHPB实验方案设计方法，并通过数值仿真与实验对该方法进行了演示和验证。

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第二，设计了一种用于SHTB装置的楔形卡口式试样连接方式，并通过数值仿真及实验测试证明了这种卡口式连接方式是有效可行的。

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第三，利用Gleeble热模拟试验机对AA?7055铝合金在不同温度下的低应变率单轴压缩性能进行了测试，温度范围为300~750K，加载应变率分别为0.0005s-1、0.01s-1和1s-1；利用SHPB 及改进试样连接方式的SHTB装置对其在常温下的动态压缩性能和动态拉伸性能进行了研究，应变率测试范围为：动态压缩时900~5000s-1，动态拉伸时500~1600s-1；获得了AA?7055铝合金在以上加载条件下的应力应变关系和力学行为。

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第四，基于AA?7055铝合金的实验结果，提出了一个包含临界转变温度
哈尔滨工业大学工学博士学位论文?
的温度效应附加函数、一个耦合温度的应变率效应函数和一个包含有效应变的分段应变硬化函数，综合以上结果，提出了一个具有上述特征的修正Johnson-Cook模型。

利用该修正模型对7050-T7451铝合金在较大的温度和应变率范围内的流动应力进行了预测，得到的结果与实验结果符合的较好；同时，该修正模型高温下简化形式对AA?7055铝合金在本文研究范围内的流动应力预测结果与实验结果符合得较好，得到的结果均优于Johnson-Cook模型。

说明本文提出的修正Johnson-Cook模型对于铝合金材料具有较好的适用性。

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第五，对45%体积分数SiCp/2024Al复合材料、2024铝合金及2A12铝合金也进行了部分测试，获得了这3种参考材料的部分力学性能和材料参数。

参考材料的实验结果以及文献中的实验数据表明，本文提出的温度效应附加函数同样适用于参考材料以及部分其它材料。

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第六，在单次动态压缩的基础上，利用SHPB对AA?7055铝合金和2024铝合金进行不同次数的循环动态压缩测试，通过对宏观应力应变关系和微观组织变化综合分析，研究了AA?7055铝合金动态压缩时剪切局部化的发展过程。

发现了铝合金动态压缩时试样内部剪切局部化的形成机理和发展规律。

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最后，利用二级轻气炮系统研究了AA?7055铝合金、45%体积分数SiCp/2024Al复合材料和2A12铝合金的厚板结构在高速撞击下的成坑行为，撞击条件分别为：4.76mm直径2017铝合金球形弹丸，速度范围为 1.40~4.47km/s；5mm直径GCr15钢球弹丸，速度范围为1.56~2.36km/s。

并对AA7055铝合金和2A12铝合金靶板上弹坑周围的微观组织进行了金相观察和分析。

结果表明，靶板材料的力学性质对成坑的尺寸与形貌都有显着的影响，成坑深度与材料强度成反比。

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本文发展和改进了SHPB和SHTB实验方法；较系统地获得了AA?7055-T77铝合金的力学性能，并初步获得了其部分力学行为的微观机理，建立了表征该类材料在不同温度和应变率下力学行为的本构模型。

本文取得的研究成果对动态力学性能测试方法和7055铝合金等新型超高强铝合金的材料设计、开发以及工程应用具有一定的指导意义和参考价值。

二，合金的显微组织及其演变
喷射成形坯显微组织观察及其物相分析对喷射成形坯件不同部位的组织进行了显微观察，对比圆心处，截面半径中点处和边缘处三处的金相组织可知，三处金相组织非常接近，晶粒均为等轴状，粒度宏观均匀，主要在20~30 μm，组织无明显宏观偏析。

晶内弥散分布着大量细小的一次析出相，晶界上则析出不连续的条状相。

喷射成形坯的XRD谱如图3所示。

经分析得知喷射成形坯组织主要由α(Al)和MgZn2组成，同时有少量的Al2Cu和Al2CuMg。

挤压态显微组织观察所示为经过热挤压的金相组织。

经过挤压后，等轴晶被破碎，组织明显的致密化，且第二相分布更加均匀，整体上孔隙基本消除。

组织有明显的方向性，析出相沿挤压方向分布。

三，7055铝合金的研究现状及展望
高强铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等特点,被广泛应用于航天航空及民用等领域。

7055铝合金是新型高强铝合金中的杰出代表,它是在7050铝合金基础上增加Zn和Cu的含量、降低Fe和Si杂质的含量而开发出的一种新型铝合金。

研究结果表明,7055铝合金比7050铝合金具有更高的强度,同时具有较强的断裂韧性[1]。

美国铝业公司生产的7055??T77合金板材强度比7150的高出10%,比7075的高出30%[2] 。

近年来,国内
外正在大力开发强度更高、韧性及耐腐蚀性能更好的新一代7055及7x55铝合金,其中在优化合金成分、改善合金组织结构、开发新的热处理制度方面研究较多
四，热处理对7055铝合金的影响
高强铝合金热处理的目的是通过选择合理的工艺参数, 达到MPt、GBP、PFZ3个组织参数间的最佳配合,使合金得到良好的综合性能。

超高强铝合金7055的热处理主要包括均匀化、固溶淬火、时效等工艺,其中时效工艺又包括单级时效、双级时效、回归再时效和形变时效。

1 均匀化
众所周知,所有金属和合金凝固时都存在枝晶偏析,必须通过均匀化处理消除或降低晶内化学成分和组织的不均匀性,消除或降低铸锭的内应力,促使第二相溶解,减小第二相的体积分数,并提高合金元素在基体中的固溶度,从而增大合金的强度。

然而7055铝合金合金元素含量高,因此均匀化比较困难。

400 以下均匀化,半连续激冷铸造的过饱和固溶体分解析出平衡相,基体过饱和程度下降导致合金的硬度下降而电导率上升。

400 以上均匀化,一方面,枝晶偏析逐渐消除;另一方面,析出的平衡相又回溶到固溶体基体中,基体过饱和程度增大,合金的硬度增加而电导率则随之下降[16,25]。

均匀化温度越高,平衡相溶解越充分,合金的电导率下降越多,同时,合金晶粒粗化,合金的硬度随之下降,过饱和固溶体分解析出Al3Zr粒子[16]。

有研究表明450 /24h是较为理想的均匀化条件[16,25]
2,固溶淬火
7055铝合金为时效强化合金,固溶处理是提高其性能的重要工序之一。

合金元素的固溶程度、再结晶程度及晶粒尺寸对后续淬火及时效行为都将产生很大影响,从而影响合金最终的强度、断裂韧性、抗应力腐蚀等性能[17]。

固溶温度的升高可提高合金时效后的硬度和强度,这是因为固溶温度使合金淬火后得到更高的溶质和空位浓度,有利于细小沉淀相均匀弥散析出;但是温度太高会导致伪共晶组织熔化,产生过烧组织。

张新明等[18] 认为,7055铝合金固溶时,粗大的初生AlZnMgCu相溶解缓慢,并逐渐球化,而初生AlZnMgCuFeTi相几乎不溶解。

固溶温度越高(460~480 ),时间越长(0~240min),初生AlZnMgCu相溶解越多,再结晶越多,晶粒尺寸越大。

再结晶主要于初始晶界的粗大初生相上形核(PSN机制),并向Al3Zr粒子少的变形晶粒内部长大。

逐步升温固溶处理可使最终固溶温度超过多相共晶温度而不产生过烧组织,提高残余可溶结晶相的固溶程度和合金力学性能[19,20]。