航空铝合金冷压力学性能研究毕业设计.docx

航空铝合金冷压力学性能研究毕业设计.docx

《航空铝合金冷压力学性能研究毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空铝合金冷压力学性能研究毕业设计.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

航空铝合金冷压力学性能研究毕业设计

航空铝合金冷压力学性能研究

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

铝合金作为飞机、航天器以及汽车轻量化的理想材料，已成为当前航空航天工业、汽车工业开发研究的热点，但其常温下难以加工成形，制约了铝合金的应用。

因此对于铝合金，研究其冷压下的力学性能具有非凡的意义[1]。

本文采用试验作为基本手段，研究固溶参数及变形量这两个对7075航空合金力学性能影响比较显著的因素。

根据固溶热处理参数对合金显微组织的影响的研究确定一个较佳的固溶参数组合，先将试样按照较佳的固溶参数组合完成固溶热处理；

1每间隔30min完成一组（一组5个冷压缩量,分别1%、2%、3%、4%、5%）目标冷压缩量；

2在4个小时内完成9组相同的工作；

3记录固溶热处理完成时间；

4记录每次冷压缩开始和结束时间；

5提供冷压缩原始数据；

6千分尺测试样尺寸变化，必要时可采用万能工具显微镜测试塑性变量和回弹量。

关键词：

铝合金，冷压，固溶参数，力学性能

Effectsofasymmetricrollingandheattreatmentonmechanicalpropertiesofaluminiumalloy

Abstract

Inthepresentstudy,theorthogonalexperimentmethodwasusedfirstlyforselectingthemostsignificantfactorsaffectingthemechanicalpropertiesofaluminiumalloyfromagingtimeandreductionofrolling。

Thefollowingresultshavebeenobtained：

（1）every30mintocompleteagroup（agroupoffivecoldcompression,respectively,1%,2%,3%,4%,5%）ofcoldcompressionofthetargetintervals;

（2）Completeninegroupsworkingwithinthesamefourhours

（3）Recordthedataoftheheattreatmenttime

（4）Recordeachcoldcompressstartandendtimes

（5）providetheoriginaldataofcoldcompresses

（6）Testsamplesizechangesbymicrometer，ifnecessary,canbeusedtotesttheplasticvariableuniversaltoolmicroscopeandspringback.

Keywords：

aluminiumalloy，asymmetricrolling，solution，mechanicalproperties

第1章绪论

固溶实验；其目的是使碳化物充分溶解并在常温下保留在奥氏体中，从而在常温下获单相奥氏体组织，使铝具有最高的耐腐蚀性能。

固溶处理时，要特别注意防止增碳[2]。

冷却介质,一般采用清水。

固溶处理后的组织一般是单相奥氏体。

本次固溶实验在挤压机上完成。

压缩试验；每间隔30min完成一组（一组5个冷压缩量,分别1%、2%、3%、4%、5%）目标冷压缩量；在较佳的固溶参数组合下完成该实验。

千分尺测试样尺寸变化，必要时可采用万能工具显微镜测试塑性变量和回弹量。

1.1航空铝合金概述

航空铝合金板材通常采用压缩方法生产，例如热压、冷压等等。

在压缩过程中，铝合金的织构发生变化，而织构的变化将影响它的塑性各向异性。

另一方面，由于力学性能是塑性变形微观过程的宏观表现，那么铝合金压缩织构的演变也会一定程度地影响它的力学性能[3]。

本文选用冷压工艺，采用压力机和模具研究铝合金在冷压过程中织构的演变，并根据固溶热处理参数对合金显微组织的影响中的研究确定一个较佳的固溶参数组合，为提高它的强度和成形性提供一定的依据[4]。

当今航空铝合金朝着高强度、高韧性的方向发展。

其中7xxx系铝合金7075具有优异性能，近年应用有增长趋势。

7075铝合金，属于Al–Zn–Mg–Cu系超高强铝合金,具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能[5]。

7050高强铝合金已大量应用于航空领域,其厚板已广泛应用于Boeing777客机以及一些军用飞机,成为飞机制造业重要的结构材料之一[6]。

1.2冷压工艺的特点

　冷压生产靠压力机和模具完成加工过程，与其他加工方法相比，在技术与经济方面具有下列特点：

（１）冷压是少、无切屑加工方法之一，所获得的压件一般无需再加工。

（２）普通压力机每分钟可生产几十件，高速压力机每分钟可生产千件以上，是一种高效率的加工方法。

﹙3﹚冷压件的尺寸精度由模具保证，所以质量稳定，互换性好。

﹙4﹚冷压可以加工壁薄、重量轻、刚性好、形状复杂的零件，为其他加工方法所不能替代。

另外，冷压加工不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低。

由于具有上述突出特点，冷压在生产中得到了广泛的应用[7]。

1.3冷压材料的性能要求

　　冷压所用的材料，在满足产品设计要求的同时，还应满足压缩工艺的要求。

压缩工艺对压缩材料的要求主要有：

（1）具有良好的压缩成形性能。

板材的冲压成形性能是指板料对各种冲压加工方法的适应能力。

对于成形工序要求材料应具有：

良好的塑性（均匀延伸率δμ）、屈强比（σs∕σb）小、屈弹比（σs∕Ｅ）小、硬化指数ｎ大、板厚方向性系数ｒ大、板平面方向性Δｒ小[8]。

对于分离工序，要求材料应具有一定的塑性，其他指标不作严格的要求。

（2）具有较高的表面质量。

材料表面应光洁平整，无氧化皮、锈斑、划伤、分层等缺陷成[9]。

形工序所用材料的表面质量越好，则制件越不易破裂，也不易擦伤模具工作部分的表面。

（3）材料厚度公差应符合国家标准。

因为一定的模具间隙适用一定厚度的材料。

如材料厚度公差变动大，不仅影响制作的质量，还可能导致模具和压力机的损坏[10]。

（4）价格低廉、来源方便、经济性好。

鉴于以上种种要求，本次试验选用7075铝合金做冷压试验。

1.4金属变形及压制理论

1.4.1变形

由金属塑性变形理论可知，晶体的塑性变形是位错运动的结果，而在变形过程中又会不断产生新的位错，众多位错的塞积导致晶体的变形阻力的增加，从而产生了冷加工硬化产生塑性变形的机理，是金属晶体在外力的作用下，使原子层发生错动，移动的距离等于原子[11]。

间距的整数倍，并使原子移动位置后仍与相邻的原子保持平衡的间距。

生产上对金属进行塑性加工，就是利用金属能够产生永久变形的能力，使其在外力作用下进行塑性成形的一种压力加工技术，因此也常常叫金属压力加工[12]。

其目的，是要通过工具对工件施加外力（压力或拉力）使工件发生塑性变形，从而得到符合所需性能的金属材料。

发生塑性变形时，金属在外力的作用下，微观上出现大量原子群多次、定向地从一个稳定平衡位置转移到，另一个稳定平衡位置的现象，对应宏观上就产生了不能恢复的永久塑性变形[13]。

本实验最后阶段端要测的试样塑形变量即塑性变形的宏观体现。

回弹量即解除载荷后可恢复的变形。

1.4.2金属压制理论

所谓压制，就是使板件试样形状改变，厚度变薄而面积增加的一种塑性变形过程[14]。

目前，压制是金属压力加工中使用最广泛的方法。

压制的分类有很多种。

根据压制时的温度特征，分类为：

热压、冷压。

1、热压

所谓热加工变形，是指变形金属在能充分进行再结晶的温度以上所进行的塑性变形[15]。

热压，正是热加工变形的一种。

热压可以认为是加工硬化和再结晶这两个过程的相互重叠。

热压时为了改善钢材的组织性能，常常要控制加热温度、变形终了温度、变形程度和压后钢材的冷却速度，从而改善钢材的强韧性。

在一定的条件下，热压有一些优势[16],如：

（1）热压时，金属的变形抗力相对较低，消耗能量较少；

（2）热压时，金属的塑性增加，减小其产生断裂的倾向性；

（3）热压时，工件的择优取向或方向性小；

（4）热压时，不需要像冷压那样进行中间退火，可简化工序、提高生产效率。

目前，世界上最大的热压机为美国的5588mm热压机组，热压板的最大宽度为5000mm，最厚为270mm，最长为30m[17]。

可见，热压机向大型化、控制自动化和精密化方向发展是今后必然的发展趋势。

如发展热粗压+热精压（即1+1）的生产方式，大力开展各种热连压生产方式等[18]。

2、冷压

冷压是冷加工变形的一种，它是在不产生回复和再结晶的温度以下进行的压制在[19]。

实际生产中，热压后的带材往往还要经过冷压来加工成更薄的产品。

中国的铝材冷压工业，已经经过了几十年的发展，目前已建成相当完善的现代化体系，其中铝带生产能力仅次于美国，位居全世界第二位[20]

冷压工艺相比较热压来说，又具有一些自身的优点：

（1）对薄或细的压件，由于散热快，想保持热压的温度条件较困难，因此多采用冷压方式；

（2）经冷压生产出的工件，表面光洁、尺寸精确，组织和性能比较均匀，明显优于热压；

（3）冷压对金属强度的提高效果，要强于热压，因为热压时的温度作用易使金属软化；

（4）某些金属不宜采用热压，以免在加热时破坏晶间结构，压制时发生断裂，只能采用冷压。

在冷压过程中，由于位错塞积的存在，容易引起材料产生加工硬化[21]。

冷压后金属的能级增加，化学性质更活泼，耐腐蚀性更差。

铝材经冷变形后，原始等轴状晶粒组织遭到破坏，形成晶粒尺寸较小的被延伸的晶粒组织，以及出现第二类残余应力等，使塑性严重下降，但由于晶格畸变、位错增多、晶粒被拉长细化以及出现亚结构等，使其强度大为提高，即出现加工硬化现象[22]。

1.4.3固溶热处理关键工艺参数

铝合金的性能，通常以铝合金材料在常温和高温下的强度、塑性指标为主要依据。

为了改善产品性能，通常对可热处理强化的铝合金进行固溶处理[23]。

将铝合金加热至一定温度，保温后迅速冷却，可获得过饱和固溶体。

这种操作属于淬火，但对铝合金而言，则称为固溶处理。

对于航空铝合金来说，固溶处理的目的是为了获得最大饱和度的固溶体，并经过热处理后，具有较高的力学性能[24]。

铝合金中的合金元素都能溶于铝，形成以铝为基的固溶体。

加入到铝中的合金元素，如镁、铜、锌、锰、硅等，能与铝形成固溶体，且具有较大的固溶度，除了起到固溶强化作用，使强度提高之外，同时还能保持良好的塑性和压力加工性能[25]。

固溶强化的实质，是合金元素溶入基体后，使基体晶格发生畸变[26]。

畸变所产生的应力场与位错周围的应力场发生相互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成柯氏气团，对位错的运动起到阻碍作用。

此外，溶质原子还会改变固溶体的弹性常数、扩散系数、内聚力和原子排列缺陷，使位错线变形，导致位错运动阻力增大，同样也起到使合金强化的作用。

制定固溶工艺时，主要考虑固溶温度、保温时间及冷却速度。

确定固溶温度的原则,是使可溶相尽可能地溶解到固溶体之中，但要避免过烧[27]。

淬火温度越高，第二相溶解得越彻底，淬火后合金的力学性能也就越高。

但铝合金固溶温度的范围较窄，淬火温度过低则性能较低，淬火温度过高又易发生过热和过烧，使材料报废，故需严格控制，并要求炉温分布均匀。

保温时间则由强化相的溶解速度、板材尺寸及加热条件确定。

加热温度高，冷加工率大，溶解速度快，则保温时间可缩短。

加热方法，可以选择感应加热、盐浴炉加热、强制空气循环电炉加热及静止空气炉加热等，加热速度依次降低，因此保温时间需依次延长。

因为水的冷却速度快，淬火一般用水作冷却剂。

板材尺寸小、形状简单时，水温可低些；相反，水温则可高些，以减小冷却速度，防止产生扭曲变形和残余应力。

铝合金固溶处理所获得的过饱和固溶体，处于双重过饱和状态，即不仅对溶质原于是饱和的，对空位这种晶体缺陷也是饱和的。

固溶处理后的沉淀过程是一种原子扩散过程，而空位的存在又是原子扩散所必需具备的条件。

固溶处理对强度和塑性的影响大小，取决于固溶强化程度及过剩相对材料的影响。

若过剩相质点对位错运动的阻滞不大，过剩相溶解所造成的固溶强化超过溶解所造成的软化，则合金强度提高；若过剩相溶解造成的软化超过基体的固溶强化，则合金强度降低。

若过剩相属于硬而跪的粗质点，则它们的溶解也必然伴随塑性的提高。

毫无疑问，本实验中的固溶实验主要考虑的参数为：

固溶温度、保温时间及冷却速度。

以此确定一个较佳固溶参数组合。

再结晶退火是作为铝合金固溶后后续处理手段。

航空铝合金的退火主要有两种类型：

一种是去应力退火，主要是为了消除冷加工塑性变形或者切削加工过程中所造成的内应力，而同时要求不降低铝合金的强度，因此退火温度一般低于或稍高于合金的再结晶温度。

另外一种，是为了消除加工过程中所产生的加工硬化影响，即降低硬度的同时，提高塑性，以便能继续进行冷加工塑性变形等，这种退火的温度应该比再结晶的温度高的多，一般要达到350℃～450℃。

将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温一定时间，而后缓慢冷至室温，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工艺，称为再结晶退火。

其目的是使金属材料内部的组织结构发生变化，使热力学的稳定性得以提高，从而获得所要求的各种性能。

1.5本文研究目的及内容

对于航空铝合金，本实验先采用固溶实验，得到最佳固溶热处理参数，在此基础上，进一步做压缩试验（采用五组不同的压缩量），再进一步研究7075铝合金的塑性变量和回弹量，得到能同时提高合金强度和塑性的最佳工艺模型，将扩大该类合金的应用范围。

7075金铝合相对目前应用较广泛的2系航空铝合金来说，因为明显增加了Si的含量，减少了Al和Mg的含量，可实现铝硅合金部分取代2xxx系铝合金，从而实现节约铝资源、节能降耗、减排放绿色工业发展目标。

通过研究不同的固溶热处理工艺对合金板材显微组织及强韧性的影响，比较能得出能够同时改善合金强度、塑性的压制和热处理工艺模型的较佳固溶参数。

本文选择了固溶参数和压缩量这两个因素，设计了两轮实验，将选定的铝合金板进行固溶试验和压缩试验。

前一个实验的结果将成为后一个实验的条件，所以两个实验是相互联系的，前一个实验的精密与否直接影响后一个实验。

其中固溶实验要记录固溶热处理完成时间，并且确定较佳固溶参数组合。

冷压缩实验要完整记录冷压缩原始数据，在四小时完成九组实验，每隔30min一组，每组有五个冷压缩量，分别是1%、2%、3%、4%、5%（需要制备45块相同的7075铝合金式样板）。

最后，通过万能工具显微镜测试变形铝合金板样塑性变量和回弹量，最终得出能综合改善航空铝合金力学性能的最佳工艺模型。

第2章固溶实验内容与过程

2.1实验材料

实验材料为7075铝合金板样，板样厚450mm。

该合金经为比较典型的航空铝合金之一，由美国进口。

表17075铝合金化学成分（%，质量分数）

2.2实验设备和过程

2.2.1实验设备

（1）电阻炉：

广泛用于陶瓷、金属化瓷片、冶金、电子、玻璃、化工、机械、五金、模具、磁性材料、煤炭灰分检测、塑胶灰分检测、复合材料、耐火材料、新材料开发、特种材料、发热机片、建材等领域。

采用P909微电脑全自动控制，可编程多段升、保、降温曲线，全自动升温、保温、降温和超温保护，每一段功率限制，可控硅移相调压控制加热，程序运行结束自动停止，无须值守。

升温快、环保节能、精度高、性能稳定、保温效果好。

炉膛采用洁净碳化硅开模而成，保温性能好，抗热震，耐高温、耐急冷急热。

炉体温度接近室温。

电阻炉

型号：

SX―6―14

额定功率：

6KW

相数：

3相

额定温度：

1350℃

加热室尺寸：

250×150×100mm

常用温度：

1300℃

外形尺寸：

600×600×600mm

电压：

380V

重量：

120Kg

（2）洛式硬度计

规格:

HR-150A

出厂期:

2000年4月No0682

地址:

山东莱州市

（3）金相试样抛光机

磨盘直径:

230mm

磨盘转速:

1400r/min

电动机功率:

200W

电源电压:

220V/380V，50HZ。

型号：

P—2

抛盘直径：

200mm

地址：

上海光相制样设备有限公司

（4）扫描电子显微镜

2.2.2实验过程

将试样在电阻炉中于430，450，470，490，520℃下分别保温10,60,120min,对比不同固溶温度下合金的组织性能。

将试样在430,470,520℃下恒温保持10,40,60,80,120min,对比不同时间对合金组织性能的影响。

固溶处理后均在室温（24℃）下冷却（各组实验冷却速度一