基本信息
- 项目名称：
- 7075铝合金动态再结晶型软化流变行为及稳定变形参数识别
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 研究内容之一：引入软化因子改进传统Fields-Backofen模型；研究内容之二：引入表征晶体动力学的修正的Avrami方程，全面表征动态再结晶体积分数、温度、应变速率及应变量之间的动态耦合作用；研究内容之三：引入基于动态材料模型（DMM）的加工图理论，有效界定出7075铝合金的流变失稳区和稳定区；研究内容之四：提出一种损伤敏感率的概念。
- 详细介绍：
- 铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、易加工、资源丰富等一系列优点，在航空、航天、建筑包装等行业得到极其广泛的应用。在航空领域，具有较高比强度和比刚度的7XXX系列铝合金是大锻件的主材。实际生产中，在关注材料在锻造过程中流动的同时，也注意到材料内部的微观组织也经历着一系列动态变化，而微观组织的变化又影响着材料的流变行为。因此，正确理解不同变形条件下材料内部微观组织的演化规律是合理设计锻造工艺的基础，也是实现变形过程的有限元变形一传热一微观组织演变耦合模拟的前提。研究的实验基础如下：采用热物理模拟机对多组7075铝合金试样进行压缩试验，温度范围为573～723K，应变速率范围为0.01～10s-1，实验中采集应力-应变数据，压缩后剖分试样进行微观组织观测。研究内容之一：引入软化因子改进传统Fields-Backofen模型，较精准的描述7075铝合金的流变行为；研究内容之二：引入表征晶体动力学的修正的Avrami方程，设计一个无量纲的中间变数 ，全面表征动态再结晶体积分数、温度、应变速率及应变量之间的动态耦合作用；研究内容之三：引入基于动态材料模型（DMM）的加工图理论，综合利用应变速率敏感指数、能量耗散率、失稳判据三重指标有效界定出7075铝合金的流变失稳区和稳定区；研究内容之四：提出一种损伤敏感率的概念，及实验与数值模拟仿真相互佐证的途径，绘制并分析所获得的不同应变速率及温度条件下7075铝合金材料的临界损伤因子变化规律曲线。对7075铝合金成形性进行多重目标评估及建立系列表征模型，为合理设计热塑性成形工艺提供重要指导，为进一步推广实现变形过程的有限元变形-传热-微观组织演变动态耦合模拟提供重要的材料数据基础。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：精准描述7075铝合金的动态再结晶型软化流变行为，系统的运用应变速率敏感性、能量耗散、流变失稳、临界损伤、动态再结晶等多重参量评价及表征该材料的热塑性变形可成形性及宏微观偶联关系。 基本思路： 实验获取材料基础数据，首先对软化流变行为进行表征，其次分别构建评估成形性的多重参量，并识别出能够最大程度内挖掘材料变形潜力、确保变形内外品质的稳健变形参数。
科学性、先进性及独特之处
- 在正确理解不同变形条件下7075铝合金材料内部微观组织演化与流变行为演化的交互影响规律的基础之上，系统的运用应变速率敏感性、能量耗散、流变失稳、临界损伤、动态再结晶等多重评价及表征7075铝合金材料的可成形性及宏微观偶联关系。多目标、多尺度的分析已经成为更加科学描述及表征材料可成形性的一种趋势，为合理设计热塑性成形工艺提供重要指导。
应用价值和现实意义
- 1、有效界定出7075铝合金的流变失稳区和稳定区，识别的稳定变形条件将有效保障合金的内在成形品质。 2、加有软化因子的修正的Fields-Backofen流变应力模型可使模拟过程与实际更为吻合。 3、基于损伤敏感率理论及实验与数值模拟仿真相互佐证的途径，能准确确定裂纹产生的时刻。 4、本次研究对正确理解航空锻造工艺与航空锻件内部质量之间的关系具有重要指导意义。
学术论文摘要
- 在航空领域，7XXX系列铝合金是大锻件的主材。实际生产中，在关注材料在锻造过程中流动的同时，也注意到材料内部的微观组织也经历着一系列动态变化，而微观组织的变化又影响着材料的流变行为。因此，正确理解不同变形条件下材料内部微观组织的演化规律是合理设计锻造工艺的基础，也是实现变形过程的有限元变形一传热一微观组织演变耦合模拟的前提。研究的实验基础如下：采用热物理模拟机对多组7075铝合金试样进行压缩试验，温度范围为573～723K，应变速率范围为0.01～10s-1。研究内容之一：引入软化因子改进传统Fields-Backofen模型，较精准的描述7075铝合金的流变行为；研究内容之二：引入修正的Avrami方程，设计一个无量纲的中间变数 ，全面表征动态再结晶体积分数、温度、应变速率及应变量之间的动态耦合作用；研究内容之三：引入基于动态材料模型（DMM）的加工图理论，有效界定出7075铝合金的流变失稳区和稳定区；研究内容之四：提出一种损伤敏感率的概念，及实验与数值模拟仿真相互佐证的途径，绘制并分析所获得的不同应变速率及温度条件下7075铝合金材料的临界损伤因子变化规律曲线。
获奖情况
- 与所研究7075铝合金方向相关的论文： 1、《7075铝合金热塑性变形动态再结晶动力学表征》，机械工程材料，已录用； 2、《温度及应变速率对7075铝合金临界损伤因子的影响》，重庆大学学报，已录用； 3、《7075铝合金热压缩动态软化行为的唯象本构模型》，机械工程材料，2010年34卷10期；
鉴定结果
- 本次课题的工作得到了指导老师的肯定与好评，课题中发表的论文及专利皆为真实。
参考文献
- 1.【篇名】高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究,【作者】林高用,【学位类型】博士,【授予单位】中南大学,【导师】彭大暑,【年份】2006. 2.【篇名】7075铝合金高温流变行为的研究，【作者】杨立斌,张辉,彭大暑等，【作者单位】中南大学,材料科学与工程系,湖南,长沙,410083，【出处】热加工工艺,HOT WORKING TECHNOLOGY 2002, (1)【ISSN】1001-3814【页码】1-2,5 3. Dynamic softening behaviors of 7075 aluminum alloy Quan, Guo-Zheng1; Liu, Ke-Wei1; Zhou, Jie1; Chen, Bin2 Source: Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), v 19, n SUPPL. 3, p s537-s541, December 2009; ISSN: 10036326; DOI: 10.1016/S1003-6326(10)60104-5; Publisher: Nonferrous Metals Society of China 4. Flow softening of 7075 aluminum alloy under hot compression Sakai, Taku1; Takahashi, Chiori1 Source: Materials Transactions, JIM, v 32, n 4, p 375-382, Apr 1991; ISSN: 09161821;Author affiliation: 1 Univ of Electro-Communications, Chofu, Japan.
同类课题研究水平概述
- 7075铝合金属于典型的Al-Zn-Mg-Cu系高强合金，具有优良的综合性能，是航空、航天领域广泛使用的一种轻型结构材料，直到今天，经过长期多机种使用考验过的比较成熟的7075铝合金仍将是大飞机上的主要结构材料。本课题在正确理解不同变形条件下7075铝合金材料内部微观组织演化与流变行为演化的交互影响规律的基础之上，系统的运用应变速率敏感性、能量耗散、流变失稳、临界损伤、动态再结晶等多重评价及表征7075铝合金材料的可成形性及宏微观偶联关系，这种将宏微观两个方面同时考虑，多目标、多尺度的分析报道较少，但俨然将成为更加科学描述及表征材料可成形性的一种趋势，为合理设计热塑性成形工艺提供重要指导，进一步为推广实现变形过程的有限元变形-传热-微观组织演变动态耦合模拟提供重要的材料数据基础。 在国外，Taku Sakai等利用二次拉伸试验及金相试验研究了未发生动态再结晶7075合金的热成形性能，结果发现：材料晶界滑移对细晶演化及超塑性有重要影响。在国内，刘文娟等研究了7075铝合金高温等温变形的流变应力行为，研究结果表明7075铝合金热变形时，流变应力曲线存在近稳态流变现象，随变形温度的升高流变应力降低，随应变速率的提高流变应力增大。温度对流变应力的影响比应变速率对流变应力的影响更为显著。合金的塑性可加工性有两种：一是与相应加工工艺下模具、摩擦、变形区大小等外部条件有关的应力状态可加工性；另一种是与相应变形条件（温度、应变量、应变速率）下材料的微观组织动态演变有关的内禀可加工性。自1984年起，Prasad、Gegel、Murty以及Kumar等提出并不断改进了基于动态材料模型（DMM）的加工图理论，建立了可量化分析材料内禀可加工性的有效途径，至今该理论仍然被广泛用于表征材料可成形性、优化热加工工艺参数、控制微观组织等。采用DMM理论及其加工图技术来解决实际热加工问题， 以实现组织和性能的控制已在国外得到广泛应用。它既可以对传统生产中已采用的加工过程进行改进和完善，又可以对新材料和新工艺的加工过程进行优化设计。目前国外在铝合金、铜合金、钛合金、锌合金、锆合金、镁合金、镍基合金和钢等各种材料加工中的成功应用案例很多。国内对DMM 理论的研究较少，目前仅有一些应用该理论对热加工组织与性能进行控制以及进行工艺优化设计的报道。
