【《铝合金强化机制研究的国内外文献综述》3000字】

铝合金强化机制研究的国内外文献综述1.1铝合金概述1.1.1铝及铝合金铝及铝合金可以说是当前世界上所有的合金中相对来说较为轻的金属结构材料，密度约为2.7g/cm3，其强度大约为90~120MPa左右，延展性好，常被用来制作为工业构件[1-3]。纯铝化学性质活泼，耐腐蚀性能好，因为表面容易被氧化形成氧化膜。纯铝的熔点约为660℃，沸点约为2060℃。地壳中铝元素含量丰富，约占8.3%，是当前工业生产中用途最为广泛，最为经济适用的材料[4-5]。1.1.2铝合金的特点及分类纯铝一般作为工程材料，力学性能、机械加工性能不好等，因此，通过合金化铸造成新型的铝合金是强韧化铝合金的重要途径[6-7]。铝合金一般具有基体铝的低密度、高延展性等特征，由于合金化的作用，铝中加入Si可以导致铝合金的力学性能提高，铝中加入Cu可以进一步通过固溶加时效处理等后续处理来强化铝合金，使机械性能得到大幅度地提升[8]。铝合金综合性能优异，在一定程度上应用广泛，使用量仅次于钢。图1-1部分金属制材料的力学性能Figure1-1Mechanicalpropertiesofsomemetalmaterials按照铝合金构件成型方式的不同可以对铝合金进行进一步细化，铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金性能优良，机械性能比基体铝进一步提高，是通过铸造得到的；铸造铝合金变形铝合金一般是指对铸造铝合金进行挤压，压缩，大塑性变形制坯，一般来说，变形合金可以消除铸造缺陷，具备优良的加工工艺性能[9-10]。1.1.35A02铝合金5A02铝合金是一种Al-Mg系高强度铝合金的典型代表，具有优良的综合性能，在抵抗腐蚀，磨损，疲劳等失效领域具有优良的表现。故而在相关的一些工程技术领域有着深远的应用前景[11]。1.2铝合金强化机制市面上常见的铸造铝合金难以在生产实践中用作结构材料。因此，人们通过添加合金元素使它们合金化，并在高温下进行热处理以使组织均匀，细化晶粒，和陶瓷相的复合，或这些方法的组合，使铝合金的机械性能大大提高。当前，大量学者的研究证实铝合金强化机制主要包括，固溶强化，位错强化，第二相析出强化和晶界强化与细晶强化[12]。1.2.1细晶强化细晶强化主要是位错与晶界的交互作用从而强化合金。通常晶粒尺寸和合金的力学性能存在一定的反比例关系，也就是说，晶粒小，合金内部的大角度晶界就多，阻碍位错滑移的能力就强，合金的强度就高。用经典的霍尔佩奇理论公式Hall-Petch关系[13]来解释：=𝜎0+𝑘𝑑−1/2因此，通过一定手段细化铝合金晶粒可以提高铝合金的综合性能。铝合金有五种常见的晶粒细化工艺：①合金化；②变质处理；③快速凝固/粉末冶金技术；④铸锭热变形处理；⑤动态再结晶。铝合金易受到动态再结晶的影响，动态再结晶是一种非常重要的晶粒细化机制，对组织演变的控制有很大作用，同时可以提高铝合金塑性成形能力，改善力学性能。通过细化晶粒不仅可以提高铝合金的强度，还可以明显改善其塑性和韧性。同时，铝合金经过细化处理后铸件中的金属间化合物相更细小且更均匀分布，从而缩短均匀化处理时间或者提高均匀化处理效率。此外，由于晶界协调变形在镁合金塑性变形过程中起着重要作用，而通过晶粒细化可以有效提高其晶界协调变形能力。1.2.2固溶强化固溶强化主要实现方式是通过溶质原子所形成的晶格畸变，从而导致阻碍位错运动，位错运动的速率大大下降，导致合金变形过程变缓[14-15]。位错想要继续运动，就需要外界所提供的应力更大，从而合金的强度也就有所提升。然而，固溶强化在带来的材料的强度和表面硬度提升的同时，合金的塑性和韧性在一定程度上会有所减弱。因此，在一定条件范围内合理利用固溶强化可以实现材料的合理利用[16]。固溶强化主要受到这两个条件的制约，一个是合金内部发生晶格畸变晶粒的数量，另外一个则是发生晶格畸变晶粒严重性[17]。一般来说，合金内部发生晶格畸变晶粒的数量受到固溶体溶质原子本身性质的制约，在一定程度上溶质原子的原子分数和局部晶格畸变呈现出一定的正相关关系。而局部晶格畸变发生的严重程度的受多种条件影响。例如，溶质原子与基体原子的大小差越大，晶格畸变程度越大，固溶强化效果越好。另外，溶质原子与基体原子的价电子数的不同也会造成固溶体强化效果的区别。差异越大，加固效果越好。也就是说，这种固溶体强化合金的强化程度与固溶体中价电子的浓度成正比。1.2.3第二相强化一般来说，合金中都会有第二相的存在。铝合金中第二相粒子的尺寸、形貌、分布和密度在一定程度上可以实现强化效果。第二相强化的机理同样也与位错运动存在很大的关系。第二相粒子主要存在可变形粒子和不可变形粒子两种[18-19]。可变形粒子一般在峰时效的时候析出，位错可以切过可变性粒子。不可变形粒子一般过时效过程中析出，这种类型的第二相在与位错交互时，位错无法穿过，只能绕过，这也是就是经典的位错绕过机制，可以对位错产生阻碍作用。因此，无论是可变性粒子还是不可变形粒子，都可抑制位错滑移，对合金的机械性能起到一定的益处[20]。另外，第二相强化粒子引入方式不同，可以分为沉淀相和弥散相结构。沉淀相一般是时效热处理时合金内部由于形成过饱和固溶体从而析出的粒子，这种属于可变性粒子，而弥散相粒子大多都是人工加入的，比如通过粉末冶金添加的粒子就属于不可变形粒子[21]。1.2.4位错强化位错强化也叫作加工硬化或形变强化。主要是指材料在变形过程中材料强度提高，而塑性韧性很快下降的现象[22]。金属材料在发生塑性变形时，随着累积应变量的增大，金属材料内位错不断积累，合金内部的位错密度是不断增加，之后位错在运动过程中发生位错缠结和割阶，形成三维的位错网以及胞状结构，阻碍位错的运动，使金属塑性变形的继续进行变得更困难[23-24]。因此，位错密度的提高是材料塑性变形导致的结果。位错密度的增大导致交互作用，之后位错逐渐产生缠结逐步导致位错强化的发生，产生位错强化的效果。参考文献[1]SoH,FaßmannD,HoffmannH,etal.Aninvestigationoftheblankingprocessofthequenchableboronalloyedsteel22MnB5beforeandafterhotstampingprocess[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2012,212(2):437-449.[2]AghionE,BronfinB,EliezerD.Theroleofthemagnesiumindustryinprotectingtheenvironment[J].Journalofmaterialsprocessingtechnology,2001,117(3):381-385.[3]MordikeB,EbertT.Magnesium:properties—applications—potential[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2001,302(1):37-45.[4]AchouriM,GermainG,DalSantoP,etal.ExperimentalandnumericalanalysisofmicromechanicaldamageinthepunchingprocessforHigh-StrengthLow-Alloysteels[J].Materials&Design,2014,56:657-670.[5]StantonM,BhattacharyaR,DargueI,etal.HoleExpansionofAluminumAlloysfortheAutomotiveIndustry[J].14thInternationalConferenceonMaterialFormingEsaform,2011Proceedings,2011,1353:1488-1493.[6]陈卓元,林志坚,宋文桑.包铝层对铝合金腐蚀行为的影响[J].腐蚀与防护,2001,22(5):191-192.[7]胡芳友,王茂才,温景林.沿海飞机铝合金结构件腐蚀与防护[J].腐蚀科学与防护技术,2003,15(2):97-100.[8]宋仁国,曾梅光.高强度铝合金的氢脆[J].材料科学与工程学报,1995,(1):63-65.[9]王逾涯,韩恩厚,孙祚东,等.LY12CZ铝合金在EXCO溶液中的腐蚀行为研究[J].装备环境工程,2005,2(1):20-24.[10]曹景竹,王祝堂.铝合金在航空航天器中的应用(2)[J].轻合金加工技术,2013,41(3):1-12.[11]李化龙,陈劼实,刘一顺,等.AA6016-T4铝合金板冲裁断面质量试验研究[J].模具技术,2016,(3):1-6.[12]LiM.Anexperimentalinvestigationoncutsurfaceandburrintrimmingaluminumautobodysheet[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,2000,42(5):889-906.[13]LiM.Micromechanismsofdeformationandfractureinshearingaluminumalloysheet[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,2000,42(5):907-923.[14]HilditchTB,HodgsonPD.Developmentoftheshearededgeinthetrimmingofsteelandlightmetalsheet:Part2—Mechanismsandmodeling[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2005,169(2):192-198.[15]ChoiHS,KimBM,KoDC.EffectofclearanceandinclinedangleonshearededgeandtoolfailureintrimmingofDP980sheet[J].JournalofMechanicalScience&Technology,2014,28(6):2319-2328.[16]LeQB,DevriesJA,GolovashchenkoSF,etal.Analysisofshearededgeformabilityofaluminum[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2014,214(4):876-891.[17]HuX,ChoiKS,SunX,etal.EdgeFracturePredictionofTraditionalandAdvancedTrimmingProcessesforAA6111-T4Sheets[J].JournalofManufacturingScience&Engineering,2014,136(2):325-325.[18]WuX,BahmanpourH,SchmidK.Characterizationofmechanicallyshearededgesofdualphasesteels[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2012,212(6):1209-1224.[19]FalconnetE,ChambertJ,MakichH,etal.Predictionofabrasivepunchwearincopperalloythinsheetblanking[J].Wear,2015,s338–339:144-154.[20]AchouriM,GermainG,SantoPD,etal.NumericalintegrationofanadvancedGursonmodelforshearloading:Applicationtotheblankingprocess[J].ComputationalMaterialsScience,2013,72(9):62-67.[21]AchouriM,GermainG,SantoPD,etal.Experimentalcharacterizationandnumericalmodelingofmicromechanicaldamageunderdifferentstressstates[J].Materials&Design,2013,50(9):207-222.[22