机械球磨和热挤压制备超细晶5083铝合金的微观组织与力学性能研究

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5083铝合金具有比较低的密度、较高的强度、较好的韧性、良好的耐蚀性等特点被广泛应用于飞机、汽车、船舶、发射塔、钻井平台、装甲车等领域。在轻量化、快速化、绿色化的要求下,现代航空航天和交通运输等领域对铝合金的性能提出了更高的要求。其中,细晶化即制备具有超细晶或者纳米晶组织的材料,是实现材料性能提升的一个发展方向。目前,粉末冶金方法是制备纳米晶/超细晶材料行之有效的方法之一。本文先通过室温机械球磨制备粉末,再利用热等静压处理和热挤压制备块体超细晶5083铝合金材料。通过采用透射电镜、扫描电镜、X射线衍射、金相分析等检测手段表征了粉末和块体材料的微观组织结构,同时研究了块体材料的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性。研究了粉末和块体材料的微观组织结构。在惰性气体氛围保护下通过室温机械球磨来制备5083铝合金粉末。TEM观察表明其微观组织形貌是由等轴晶和拉长晶粒两种形貌组成,其中大约60%为等轴晶,40%为拉长晶粒,晶粒尺寸分布范围为20-150nm。热等静压处理后,拉长晶粒减小到10%左右。其中,400℃热等静压处理后(#24-1样品)平均晶粒尺寸为176nm,325℃热等静压处理后(#24-2样品)平均晶粒尺寸为157nm。热挤压后#24-1样品的平均晶粒尺寸达到371nm,#24-2样品的平均晶粒尺寸达到322nm。同时TEM观察到有第二相弥散分布在5083铝基体中。研究了Scherrer方法、积分宽度法、Voigt函数法计算A15083的晶粒大小。Scherrer方法由于没有考虑微观应变的影响,默认衍射峰产生的宽化全是由晶粒细化引起的,其计算出的晶粒尺寸普遍偏小。积分宽度法分为Cauchy-Cauchy、Gaussian-Gaussian、Cauchy-Gaussian三种方法。其中Cauchy-Cauchy方法假设晶粒细化和微观应变均接近柯西分布,计算结果偏大。Gaussian-Gaussian方法假设晶粒细化和微观应变均接近高斯分布,计算结果太小。Cauchy-Gaussian方法假设晶粒细化效应接近柯西分布,微观应变效应接近高斯分布,其计算结果更接近TEM统计结果,可以有效地计算晶粒大小。Voigt函数法中每条衍射线的计算结果都不同,取决于所选定的衍射线。研究了块体超细晶A15083样品的室温拉伸性能。实验结果表明#24-1样品的屈服强度为490 MPa,抗拉强度为497MPa,断后伸长率为8.7%。#24-2样品的屈服强度为560 MPa,抗拉强度为566 MPa,断后伸长率为6.3%,强度比传统5083铝合金材料有较大提高(60%左右)。断口分析显示其断裂方式属于微孔聚集型断裂。在理论分析的基础上半定量估算了各种强化机制对超细晶A15083材料强度的贡献,结果表明其强化机制包括细晶强化、弥散强化、固溶强化、位错强化,其中以细晶强化、弥散强化为主。研究了块体超细晶A15083样品的热稳定性。#24-1样品在400℃下进行退火,硬度为129±0.44HV,较退火前降低了 3.7%。屈服强度、抗拉强度分别是469 MPa、472MPa,较退火前分别降低了 4.3%和5.0%。#24-2样品在450℃下进行退火,硬度为138±0.61HV,较退火前降低了 3.5%。屈服强度、抗拉强度分别是505MPa、511MPa,较退火前分别降低了 9.8%和9.7%。#24-1样品和#24-2样品均表现出良好的热稳定性。研究了块体超细晶Al5083样品的耐腐蚀性。结果表现出较大的差异性,其主要影响因素包括金属表面的钝化膜、合金元素、晶粒细化。
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